Eksperyment Francka-Hertza

Co exactly czyni urządzenie

Tuba Francka-Hertza zawiera małą ilość mercury podgrzanej do produkcji niskoprężnego gazu, wraz z trzema elektrodami: ciepłonosną katodą emitiującą elektronów, siatką sienniczą utrzymywanyą na zmiennej napięciu przyspieszającym, oraz płytką zbieracza utrzymywaną na nieco niższym napięciu niż siatka, tworząc małą pole opóźniającą. Elektronów wyparowuje się z ciepłonosnej katody prawie bez kineticzkiego energii i są przyciągane przez napięcie przyspieszające ku siatkie, zdobywając prędkość podczas przejścia przez przestrzeń. W trakcie podróżyinekotwicą się z atomami mercury błądzącymi przez tę samą przestrzeń. Na niskich napięciach przyspieszających kolizje są elastyczne. Ponieważ elektron jest tysiące razy leżejszy niż atom mercury, kolizja elastyczna prawie nie gołbi go, podobnie jak ping-pong ball bawi się bowlingem. Elektron przelatuje przez siatkę, przechodzi małą polem opóźniającym i dociera do zbieracza, zarejestrowany jako prąd na wrażliwym amperometrze. Gdy napięcie przyspieszające wzrosie, więcej elektronów dotarze z większą energią, a prąd wzrośnie gładko, dokładnie jak fizyka klasyczna by przewidziała dla prostej tuby w próżni. Surprezentacja pojawia się, gdy napięcie przyspieszające zbliży się do około 4,9 V. Wtedy elektronom dotarze do obszaru bliskiego siatce tyle energii kineticzkiej, aby podniecić elektron zewnętrznego atomu mercury z stanu podstawowego do pierwszego stanu podniecenia w jednej kolizji nieelastycznej. Incydentny elektron przekazuje prawie całą swoją kinetyczną energię na chwilę, a stracona przez nią energia, blisko siatki, nie pozwala jej dalej zdobyć prędkości potrzebnej do przeprawienia się między siatkę a zbieraczem. Prąd druzga gwałtownie. Nacisknij napięcie o nieco więcej i elektronom kolizyjnym w początkowej części tuby nadal ma wystarczającą energię, aby dotrzeć do siatki, więc prąd wzrośnie ponownie, aż nastąpi kolejny próg i druga fala elektronów straci swoją energię pośrednio, tworząc kolejne druzgi. Tym symulatorom powtarza tę całą chaotyczną szereg przyczyn i skutków, od przyspieszania elektronów do nieelastycznej kolizji i zbierania prądu, umożliwiając obserwację każdego etapu rozwoju zamiast tylko odczytania ich.

Dlaczego powolne są równo odstępuowane

Najbardziej wskazowym celem krzywej Francka-Hertz'a jest to, że powolne powtarzają się prawie idealnie regularnie, co około 4,9 voltów dla gazu mercynerowego. Ta regularność nie jest przypadkiem związanej z urządzeniem, ale bezpośrednim konsekwencją faktu, że atomy mercynerowe mogą przyjmować energię tylko w jednym ustalonej ilości podczas podniesienia się z stanu ziemiowego do pierwszego stanu podniecenia, ani więcej, ani mniej. Rozważmy, co dzieje się, gdy napięcie przyspieszające jest przeniesione daleko poza pierwsze powolne. Elektron opuszczone z katoda ma teraz wystarczającą odległość i napięcie do zdobycia 4,9 voltów elektrycznych energii, stracenia jej w kolizji blisko początku przewodnika, a następnie ponownego przyspieszenia przez pozostałą odległość, zdobywania kolejnych 4,9 voltów elektrycznych energii przed dotarciem do obszaru siatki. Jeśli kolizja jest nieelastyczna, straci on również to drugie pakiet energii i ponownie dotrze do zbieracza bez wystarczającej energii do przewyższenia pola opóźniającego. To powoduje drugie powolne około dwukrotnego napięcia pierwszego, trzecie powolne blisko trzykrotnego napięcia pierwszego i tak dalej. Każde powolne odpowiada jednej dodatkowej kolizji nieelastycznej pasującej do podróży elektronu po przewodniku. Jeśli przyjęto, że absorpcja energii atomowej jest ciągła, jak fizyka klasyczna założyła przed teorią kwantową, elektryczne ładunki mogłyby stracić dowolny mały fragment swojej energii w kolizji i prąd mógłby się po prostu zwiększać gładko ze wzrostem napięcia, bez żadnych powolnych. Fakt, że powolne są ostre, powtarzające się i odstępują regularnie o stałe napięcie pokazuje, że atomy mercynerowe przyjmują energię tylko w jednym dyskretnym pakiecie odpowiadającym przepuklinie między dwoma konkretnymi poziomami energetycznymi. Rozmiar tego odstępu napięcia nie jest przypadkowy, ale prawie dokładnie odpowiada energii linii spektroskopijnej ultravioletowej emitowanej przez atomy mercynerowe podczas relaksacji z pierwszego stanu podniecenia do stanu ziemiowego, łącząc bezpośrednio badanie kolizyjne z spektroskopią atomową. W symulatorze możesz śledzić, jak odstępy między powolnymi pozostają prawie stałe przy przegladaniu napięcia i zobaczyć, jak każda kolejna powolna odzwierciedla jedno więcej pełnych cykli absorpcji zdarzającego się gdzieś na przewodniku.

Połączenie Odcieni z Modelem Bohra

Kiedy Niels Bohr zaproponował swój model atomu w 1913 roku, uczynił oszukującą twierdzenie: elektrony w atomie nie mogą zajmować dowolnej energii, są one ograniczone do dyskretnego zestawu pozwolonych orbity, każda z nich ma określoną i stałą energię. Atom mógł przechwycić lub wydać energię tylko poprzez przeskok elektronu między tymi pozwolonymi poziomami, a ilość energii związana z każdym skokiem musiała dokładnie odpowiadać różnicy między dwoma poziomami. Wówczas najsilniejszym dowodem na tę ideę były spektry atomowe, jasne i dyskretnie rozdzielone linie światła wydzielane przez podniecone gazy, które model Bohra wyjaśniał pięknie dla wodoru. Co do eksperymentu Francka-Hertza dodaje, to całkowicie niezależny dowód, otrzymany nie z użyciem światła, ale z użyciem kolizji cząsteczek. Franck i Hertz pokazali, że wolne elektroniki, kolizujące się z atomami w gazie, mogą przekazać energię tymatom tylko w określonych, stałych ilościach, nigdy nie w kontynuowym zakresie mniejszych ilości. To dokładnie takie co model Bohra przewiduje: stan podstawowy i pierwszy podniecenia atomu są oddzielone ustaloną różnicą energetyczną, a nic między nimi nie jest dozwolone. Elektron z mniej niż 4,9 eV kinetycznej energii wcale nie może podniecić tego atomu i może tylko odskoczyć elastycznie. Elektron o dokładnie 4,9 eV lub małym wielokrotnościach tej wartości może przekazać tę energię w jednym czystym, nagle zdarzeniu. Ta zbieżność dwóch bardzo różnych rodzajów pomiaru, spektroskopii optycznej i odbicia elektronów, obie wskazujące na tą samą dyskretną różnicę energetyczną, dodała naukom zaufania, że kwantyzacja jest rzeczywistym, fizycznym celem atomu, a nie matematycznym trickiem zaprojektowanym do dopasowania linii spektralnych. Franck i Hertz początkowo interpretowali swoje wyniki w kontekście energii ionizacyjnej zamiast energii podniecenia, a dopiero dalsza analiza, częściowo prowadzona przez samego Bohra, pozwoliła poprawnie połączyć odstęp 4,9 volt z podniesieniem pierwszego podniecenia mercurowego. Po tym połączeniu eksperyment stał się jednym z najjasniejszych i bezpośrednich dowodów dostępnych, że rzeczywiście atomy mają kwantyzowane poziomy energii wewnętrznej, obserwowalne przy użyciu niczym nie ekscytującego przewodu ciepłego, gazu mercurowego i baterii.

1925 Rok i Nasza Dziedzina

James Franck i Gustav Hertz otrzymali w 1925 roku Nobla za Fizykę, ponad dziesięć lat po ich oryginalnym eksperymencie, za odkrycie zasad regulujących uderzenie elektronu na atom. Opóźnienie to odzwierciedlało, jak długo zajęło to komunii fizycznej, a do pewnego stopnia Franckowi i Hertzowi samym, aby doskonale pojąć, że ich pomiar obniżeń prądu na stole jest bezpośrednim potwierdzeniem atomu quantyfikowanego Boera, jednym z fundamentów budowli emergencji mechaniki kwantowej. Eksperyment miał znaczący wpływ dalej niż tylko jego oryginalny rezultat. Ustanowił spektroskopię uderzeń elektronowych jako legalną technikę do badania poziomów energetycznych atomicznych i molekularnych, metodę nadal używaną do badania energii ekstymacji gazów o skomplikowanej spektroceoptycznej. Eksperyment ten stał się, a nadal jest jednym z najczęściej powtarzanych w laboratoriach fizyki na uniwersytetach na całym świecie, dokładnie dlatego, że sprzęt jest dość prosty, fizyka jest niezwykle jasna, a rezultat – ciąg czystych, regularnie odległych obniżeń – jest natychmiast widoczny i przekonujący dla studenta po raz pierwszy napotykającego na idee kwantowe. Historycznie, eksperyment Francka-Hertza staje się wraz z efektem fotoelektrycznym i liniami spektroskopii diskretnych wodoru jednym z mało więcej niż kilku wyników doświadczalnych z początku dwudziestego wieku, które nie mogły być reconciled z fizyką klasyczną i wymagały nowej podstawy. Gdzie efekt fotoelektryczny pokazał, że światło samego siebie przenosi energię w kwantach diskretnych, Franck i Hertz pokazali, że materia, konkretnie struktura wewnętrznego atomu, również zapisuje i wymienia energię tylko w kwantach diskretnych. Wspólnie te wyniki pomogły przekonać sceptyczną komunię naukową, że dziwne zasady mechaniki kwantowej nie są tylko konvencją matematycznej, ale rzeczywiste opisywania tego, jak natura zachowuje się na skalce atomowej, a legenda ta ten simulator pozwala ponownie odkryć na własnym doświadczeniu.

Przeczytanie krzywej napięcie-tok w symulatorze

Podczas uruchamiania symulacji, napięcie przyspieszające jest parametrem, który sterujesz, a tok dotykający się zbieracza to wielkość, którą obserwujesz. Na bardzo niskich napięciach tok jest prawie zerowy, ponieważ elektrony opuszczają katodę zbyt wolno, aby przeważyć nad małym polem odganiającym blisko zbieracza. Gdy napięcie wzrasta, tok rośnie w przybliżeniu według schematu oczekiwanej dla prostej tubeszczu z ograniczeniem przestrzennym, aż osiągnie pierwszy próg blisko 4,9 V, gdzie kolizje nieelastyczne zaczynają usuwać elektrony z toku zbieracza i krzywa skręca się ostro w dół. Po tym pierwszym spadku, obserwuj, jak tok recykluje się i wzrasta ponownie, gdy napięcie rośnie dalej, tylko aby ponownie spada blisko podwójnej wartości prógu, a następnie trzykrotnie blisko trójkrotności prógu, i tak dalej, ile razy to pozwala geometria tubeszu i zakres napięcia. Zwróć uwagę na odstępstwo między kolejnymi spadkami niż na ich dokładne położenie, bo stałe odstępstwo jest prawdziwym fizycznym śladem kwantyzacji, a powinno ono pozostawać podobne z jednego spadku do drugiego przez cały zakres. Symulator również pozwala na eksplorację zmiany obrazu, jeśli dostosujesz gęstość gazu, długość tubeszu lub tożsamość gazu. Dłuższy tubesz lub gęstszy gaz zwiększa szansę, że elektron dojdzie do siatki przed zdarzeniem kolizji nieelastycznej, co ostro i głębiej przyspiesza i głęboko spada spadki. Przełączenie się z mercury na neon zmienia całe wartości prógu, ponieważ pierwszy stany podniecenia neonu leży na innej energii nad stanem podstawowym, ilustrując, że stałe odstępstwo między spadkami jest właściwością konkretnego atomu badanego, a nie uniwersalnego stałą. Poprzez manipulację tych parametrów bezpośrednio zdobywasz intuicyjne i ręczne pojęcie, jak pojedyncza właściwość atomowa, przestrzeń między dwiema stanami kwantowymi, odbiera się jako widoczny, mierny wzór w prądzie elektrycznym, dokładnie to skok rozumowania, który sprawił, że ten eksperyment był taki przekonujący wiek temu.

Często zadawane pytania