你知道是什麼嗎 赫茲實驗? 這是科學家詹姆斯·弗蘭克和古斯塔夫·路德維希·赫茲於 1914 年首次進行的一項研究，其目的是建立原子中電子能級的量子化。
弗蘭克和赫茲實驗
赫茲的實驗能夠證實玻爾的原子量子模型，證明原子只能吸收稱為量子的特定數量的能量。 因此，這是量子物理學的重要實驗之一。 由於這項研究，弗蘭克和赫茲於 1925 年獲得了諾貝爾物理學獎。
歷史，赫茲是誰？
1913 年，尼爾斯·玻爾提倡存在一種新的原子模型，後來稱為 玻爾原子模型，並提出了電子軌道的存在，以 盧瑟福原子模型，很像一個行星系統。 在他的模型中，他提出了四個假設，其中一個與電子軌道的量子化有關。
通過這種方式，第一個實驗旨在能夠驗證這種量化。 在第一個實驗中，使用了光，因為當時人們知道光是由能量量子組成的。 出於這個原因，玻爾被批評為軌道量子化的結果，因此原子電子的能態量子化的結果僅起源於光的量子化。
1914 年，正在研究原子電離能的弗蘭克和赫茲設計了一個使用汞原子能級的實驗。 他的測試只使用了電子和汞原子，沒有使用任何光。 玻爾因此獲得了他的原子模型的無可辯駁的證明。
赫茲的實踐實驗
起初，為了證明能級的量子化，他們使用了一個三極管，由一個陰極、一個極化柵極和一個陽極組成，它能夠在真空管內產生電子束。 .
然後，他們根據電子所擁有的動能測量陽極接收電流的變化，從而能夠推斷出碰撞發生時電子的能量損失。
材料
三極管組包含在含有汞的玻璃膠囊中。 可以在不同溫度下進行該實驗，重要的是能夠將這些結果與室溫下的測量結果進行比較，其中汞將處於液態。
當汞被加熱到 630 K 的溫度時，它會變成氣體。 但為了避免必須達到該溫度，可以在膠囊內部減壓，並將其加熱到 100 到 200°C 之間的溫度。
為了使電子被提取並達到相關速度，必須使用位於陰極和柵極之間的電壓，這將是加速電壓，產生 廣播電台 同樣，在陽極和柵極之間施加相反方向的電壓可能會很有趣，以減慢電子的速度。
赫茲實驗的結果
如中所述 赫茲的傳記，該實驗的結果是，可以表示放置在陽極輸出端的電流-電壓轉換器產生的電位差與從電極中提取電子的電位差有關的方式。陰極。
為了獲得低至 4,9 V 的低電位差，流經管的電流隨著電位差的增加而穩定增加。 隨著更高的電壓，管中的電場增加，電子將以更大的力被吸引到加速網格。 在這種情況下，可以觀察到在 4,9 伏時，電流突然下降，幾乎回到零。
如果電壓繼續增加，電流會穩步增加，直到達到 9.8 伏，這恰好是第一次使用的電流量的兩倍，我們可以看到在 9.8 伏時發生了類似的突然下降。 這一系列以約 4.9 伏為增量的電流下降將明顯保持在至少約 100 伏的電位。
赫茲實驗結果解讀
Franck 和 Hertz 能夠解釋他們在電子彈性碰撞和非彈性碰撞條件下的實驗。 在低電位下，加速的電子僅獲得適量的動能。 當他們面對玻璃管中的汞原子時，他們只進行了彈性碰撞。
這有其原因在於量子力學的預測，該預測表明原子不能吸收任何能量，直到碰撞能量超過激發在更高能量層與所述原子結合的電子所需的值。
僅對於彈性碰撞，系統內的絕對動能量保持不變。 因為電子的質量比質量較小的原子輕約一千倍，這意味著大多數電子保留了它們的動能，成為 赫茲波. 更高的電位導致更多的電子從柵極驅動到陽極，並且還成功地增加了觀察到的電流，直到加速電位達到 4.9 伏。
汞原子可以具有的最低電子激發能量需要 4,9 電子伏特 (eV)。 在加速功率達到 4.9 伏的情況下，每個自由電子在到達網格時恰好吸收了 4.9 eV 的動能，高於其在該溫度下的靜止能量。
因此，此時汞原子與自由電子的碰撞可以是非彈性的，即通過激發具有汞原子的電子的能級，可以將自由電子的動能轉化為勢能。 . 當其動能全部喪失時，自由電子無法克服接地電極處的微小負功率，電流急劇下降。
當電壓增加時，電子形成非彈性碰撞，失去 4.9 eV 的動能，但仍處於加速狀態。 這樣，當加速電位從 4.9 V 開始增加時，測量的電流再次上升。當達到 9.8 V 時，情況再次發生變化。
在那一刻，每個電子都有必要的能量成為兩個非彈性碰撞的一部分，它設法激發兩個汞原子，然後失去所有的動能。 這就是解釋觀察到的電流減小的原因。 在 4.9 伏的間隔內，這個過程會重複，因為電子將經歷進一步的非彈性碰撞。
