Experiment Franck a Hertz

Franck a Hertz experiment je experiment poprvé zaveden v roce 1914 James Franck a Gustav Hertz . Jeho cílem je dokázat kvantifikaci energetických hladin elektronů v atomech, což z něj činí jeden ze základních experimentů v kvantové fyzice. Umožnilo tak potvrdit hypotézy Bohrova modelu atomu .

V roce 1925 obdrželi Franck a Hertz za tento experiment Nobelovu cenu za fyziku .

Dějiny

V roce 1913 navrhl Niels Bohr model Bohrova atomu na základě modelu atomu Rutherford , ale přinesl k němu dva postuláty, z nichž je kvantifikace elektronických drah . První experimenty spočívající v demonstraci této kvantifikace tedy používaly světlo, které, jak již bylo v té době známo, bylo vytvořeno z „kvant energie“. První námitkou vznesenou proti interpretaci těchto experimentů Bohrovou teorií bylo tvrzení, že kvantování oběžných drah bylo způsobeno pouze kvantizací fotonů .

V roce 1914 Franck a Hertz, kteří pracovali na ionizačních energií atomů, vyvinuli experiment zahrnující energetické hladiny atomu rtuti . Jejich experiment využívající pouze elektrony a rtuť bez světla tam našel nezvratný důkaz svého modelu atomu.

Zásada

Podle kvantové mechaniky mohou elektrony v atomech zaujímat pouze diskrétní energetické úrovně . Absorpce nebo emise energie se potom provádí diskrétně kvanta energie. Toto množství energie odpovídá elektronickému přechodu , ale také energii přenášené na částici, pokud se jedná o nepružnou difúzi . Aby zdůraznili kvantifikaci energetických hladin, Franck a Hertz se snažili ukázat absorpci určitých elektronů. Aby byly absorbovány, musí mít určitou energii odpovídající elektronickému přechodu , jinými slovy energetickému rozdílu mezi konečnou a počáteční úrovní energie. Pro absorpci nebo emisi fotonu je energetický rozdíl: ΔE{\ displaystyle \ Delta E}

ΔE=|EF-Ei|=hν{\ displaystyle \ Delta E = | E_ {f} -E_ {i} | = h \ nu}

nebo:

• EF{\ displaystyle E_ {f}} je energie konečného stavu,
• Ei{\ displaystyle E_ {i}} energie počátečního stavu,
• ν{\ displaystyle \ nu}kmitočet spektrální čáry a
• h{\ displaystyle h}konstanta Planckova .

Zkušenosti

V experimentu Franck a Hertz obíhali elektronový paprsek vakuovou trubicí obsahující plynnou rtuť. K dosažení tohoto cíle použili triodu , tj. Zařízení složené z katody, polarizované mřížky a anody.

Elektrony, vyzařované z katody , mohou potom kolidovat s atomy rtuti, když se pohybují mezi katodou a anodou . Existují dva typy šoků:

• z pružné srážky , kde není přenos energie elektronového paprsku s atomy rtuti srazil a elektronů tak zachovávají svou energii,
• z nepružných kolizí , a v tomto případě, jsou elektrony emitované katodou udeří elektrony nejnižší energií atomů rtuti, a to se bude pohybovat na oběžné dráze vyšší energií, podle výkladu Bohra.

Kolísání proudu přijímaného anodou se měří jako funkce kinetické energie elektronů, a je tedy možné z ní odvodit energetické ztráty elektronů při srážkách.

Zažijte podrobnosti

Celá trioda je obsažena uvnitř skleněné kapsle, která obsahuje rtuť. Experiment lze provádět při různých teplotách, ale rtuť musí být v plynné formě, aby umožňovala cirkulaci elektronů. Rtuť v plynném stavu při 630 K, za atmosférického tlaku, ale je možné, aby se zabránilo nutnosti získat takovou teplotu, tím, že pracuje za sníženého tlaku a zahříváním mezi 100  ° C a 200  ° C .

Aby byly elektrony odtrženy a měly dostatečně velkou rychlost, je mezi katodou a mřížkou vytvořeno zrychlovací napětí .

Výsledek

Křivka představující anodový proud jako funkce napětí na svorkách katody ukazuje, že skutečně existují absorpční vrcholy. Energie (a tedy i rychlost) elektronů je reprezentován elektrickým potenciálem , že elektrony podstoupit. Tato křivka je pseudoperiodického typu s periodou 4,9 V, jejíž amplituda se zvyšuje v závislosti na extrakčním napětí.

Teplota atomů rtuti přímo souvisí s mícháním atomů, a tedy s pravděpodobností kolize mezi atomy rtuti a elektrony extrahovanými z katody. Čím vyšší je teplota, tím mobilnější budou atomy rtuti a tím více narazí na velké množství elektronů. Zvyšováním teploty rtuti klesá výška dutin, které se poté přibližují k ose x.

Výklad

Vysvětlení Francka a Hertze je založeno na konceptu pružných a nepružných šoků. Podle kvantifikace energetických úrovní jsou nepružné šoky možné pouze tehdy, když mají zrychlené elektrony dostatek energie, aby umožnily elektronický přechod . V případě elastických šoků zůstává energie elektronů nezměněna. Extrakční napětí je přímým měřítkem energie elektronů: čím je silnější, tím rychleji se elektrony pohybují. Intenzita anody měří počet přicházejících elektronů.

Křivka je ilustrací, že pro daný potenciál elektrony odevzdají energii 4,9 eV atomu rtuti, která je poté pozorována prohlubní na křivce. Takže elektron s kinetickou energií 5,1 eV bude mít po nepružném šoku s jiným elektronem atomu rtuti pouze 0,2 eV kinetické energie. Tento další elektron poté vidí nárůst své energie a nachází se podle Bohrovy interpretace na oběžné dráze vyšší energie. Pro elektron 15,6 eV můžeme mít 3 nepružné šoky. Poté po těchto 3 výbojích zůstane energie 15,6 - 3 x 4,9 = 0,9 eV.

Právě tato pravděpodobnost vzniku určitého počtu rázů v krytu způsobí, že se výška dutin navzdory oscilacím zvýší.

Poznámky a odkazy

Poznámky

1. Druhý postulát uvádí, že elektrony vyzařují nebo absorbují energii pouze při změně oběžné dráhy
2. A proto kvantifikace energetických stavů elektronů atomu.

Reference

1. (de) Franck, J. & Hertz, G. (1914): Über Zusammenstöße zwischen Elektronen und den Molekülen des Quecksilberdampfes und die Ionisierungsspannung desselben . Verh. Deutsche Phys. Ges. 16 , 457-467

Podívejte se také

Bibliografie

• C. Cohen-Tannoudji , B. Diu a F. Laloë , Kvantová mechanika [ detail vydání ], díl 1, kapitola 1.
• Michel Rival, Velké vědecké experimenty , Paříž, Editions du Seuil, kol.  "Vědecké body",1998, 203  s. ( ISBN  2-02-022851-3 )

Související články

• Bohrův atom
• Úroveň energie
• Elektronický přechod
• Trioda