认识弗兰克和赫兹实验

你知道是什么吗 赫兹实验? 这是科学家詹姆斯·弗兰克和古斯塔夫·路德维希·赫兹于 1914 年首次进行的一项研究,其目的是建立原子中电子能级的量子化。

赫兹实验

弗兰克和赫兹实验

赫兹的实验能够证实玻尔的原子量子模型,证明原子只能吸收称为量子的特定数量的能量。 因此,这是量子物理学的重要实验之一。 由于这项研究,弗兰克和赫兹于 1925 年获得了诺贝尔物理学奖。

历史,赫兹是谁?

1913 年,尼尔斯·玻尔提倡存在一种新的原子模型,后来称为 玻尔原子模型,并提出了电子轨道的存在,以 卢瑟福原子模型,很像一个行星系统。 在他的模型中,他提出了四个假设,其中一个与电子轨道的量子化有关。

通过这种方式,第一个实验旨在能够验证这种量化。 在第一个实验中,使用了光,因为当时人们知道光是由能量量子组成的。 出于这个原因,玻尔被批评为轨道量子化的结果,因此原子电子的能态量子化的结果仅起源于光的量子化。

1914 年,正在研究原子电离能的弗兰克和赫兹设计了一个使用汞原子能级的实验。 他的测试只使用了电子和汞原子,没有使用任何光。 玻尔因此获得了他的原子模型的无可辩驳的证明。

实践中的赫兹实验

起初,为了证明能级的量子化,他们使用了一个三极管,由一个阴极、一个极化栅极和一个阳极组成,它能够在真空管内产生电子束。 .

然后,他们根据电子所拥有的动能测量阳极接收电流的变化,从而能够推断出碰撞发生时电子的能量损失。

材料

三极管组包含在含有汞的玻璃胶囊中。 可以在不同温度下进行该实验,重要的是能够将这些结果与室温下的测量结果进行比较,其中汞将处于液态。

当汞被加热到 630 K 的温度时,它会变成气体。 但为了避免必须达到该温度,可以在胶囊内部减压,并将其加热到 100 到 200°C 之间的温度。

为了使电子被提取并达到相关速度,必须使用位于阴极和栅极之间的电压,这将是加速电压,产生 广播电台 同样,在阳极和栅极之间施加相反方向的电压以减慢电子速度可能会很有趣。

赫兹实验的结果

如中所述 赫兹的传记,该实验的结果是,可以表示放置在阳极出口的电流-电压转换器产生的电位差与从电极中提取电子的电位差有关的方式。阴极。

最著名的赫兹和弗兰克实验

为了获得低至 4,9 V 的低电位差,流经管的电流随着电位差的增加而稳定增加。 随着更高的电压,管中的电场增加,电子将以更大的力被吸引到加速网格。 在这种情况下,您会看到在 4,9 伏时,电流突然下降,几乎回到零。

如果电压继续增加,电流会稳步增加,直到达到 9.8 伏,这恰好是第一次使用的电流量的两倍,我们可以看到在 9.8 伏时发生了类似的突然下降。 这一系列以约 4.9 伏为增量的电流下降将明显保持在至少约 100 伏的电位。

赫兹实验结果解读

弗兰克和赫兹能够解释他们在电子弹性碰撞和非弹性碰撞条件下的实验。 在低电位下,加速的电子仅获得适量的动能。 当他们面对玻璃管中的汞原子时,他们只进行了弹性碰撞。

这有其原因在于量子力学的预测,该预测表明原子不能吸收任何能量,直到碰撞能量超过激发在更高能量层与所述原子结合的电子所需的值。

仅对于弹性碰撞,系统内的绝对动能量保持不变。 因为电子的质量比质量较小的原子轻约一千倍,这意味着大多数电子保留了它们的动能,成为 赫兹波. 更高的电位导致更多的电子从栅极驱动到阳极,并且还成功地增加了观察到的电流,直到加速电位达到 4.9 伏。

汞原子可以具有的最低电子激发能量需要 4,9 电子伏特 (eV)。 在加速功率达到 4.9 伏特的情况下,每个自由电子在到达网格时恰好吸收了 4.9 eV 的动能,高于其在该温度下的静止能量。

因此,此时汞原子与自由电子的碰撞可以是非弹性的,即通过激发具有汞原子的电子的能级,可以将自由电子的动能转化为势能。 . 当其动能全部丧失时,自由电子无法克服接地电极处的微小负功率,电流急剧下降。

当电压增加时,电子形成非弹性碰撞,失去 4.9 eV 的动能,但仍处于加速状态。 这样,当加速电位从 4.9 V 开始增加时,测量的电流再次上升。当达到 9.8 V 时,情况再次发生变化。

在那一刻,每个电子都有必要的能量成为两个非弹性碰撞的一部分,它设法激发两个汞原子,然后失去所有的动能。 这就是解释观察到的电流减少的原因。 在 4.9 伏的间隔内,这个过程会重复,因为电子将经历进一步的非弹性碰撞。


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