Franck-Hertz -kokeilu

Franck-Hertz -kokeen putki fysiikan harjoittelussa. C = katodi, G = ritilä, A = sieppari

Franckin ja Hertzin koe on toiseksi viimeinen lenkki kolmivuotisen sarja kokeita, joilla James Franck ja Gustav Hertz tutkittu, kuinka paljon energiaa siirtyy peräisin elektronin erään atomiin , kun se törmää siihen. Koe tehtiin vuonna 1914, ja vaikka nämä kaksi kokeilijaa edustivat alun perin erilaista tulkintaa, se on ensimmäinen suora todiste erillisistä energiatasoista atomissa, kuten Niels Bohr teoreettisesti vaati vuonna 1913 Bohrin postulaateissa . Kokeilu perustui Bohrin atomin, joka vaikutti merkittävästi etenemistä kvanttifysiikan kunnes luodaan kvanttimekaniikka vuonna 1925 . Franck ja Hertz saivat fysiikan Nobel-palkinnon tästä kokeesta vuonna 1925 .

Koe mittaa, kuinka paljon energiaa elektroneissa on jäljellä sen jälkeen, kun ne ovat kulkeneet elohopeaatomista tehdyn kaasun läpi sähkökentän kiihdyttämällä. Mittaukset osoittavat, että elektronit törmäävät elastisesti atomien kanssa vasta sen jälkeen, kun ne ovat kulkeneet alle 4,9 V: n kiihdytysjännitteen läpi  eivätkä välitä käytännössä mitään energiaa. Tämän kynnyksen yläpuolella he antavat atomille 4,9 eV energiaa törmätessään . Kokeilusarjojensa viimeisessä yrityksessä Franck ja Hertz osoittivat sitten, että tämän energian absorboineet atomit lähettävät valoa, jonka fotonien energia on vain 4,9 eV. Tämä vahvisti myös Bohrin toisen postulaatin kokeessa. Kokeet osoittavat, että energia imeytyy ja vapautuu atomissa vain erillisten energiapakettien ( kvanttien ) muodossa.

Franck-Hertz -kokeilu on yksi vaikuttavimmista esimerkeistä kvanttifysiikassa, ja samalla sillä on suhteellisen yksinkertainen rakenne. Siksi se on suosittu fysiikan koulutuksen esittely ja käytännön kokeilu.

luokittelu

1900-luvun alussa spektroskooppisista tutkimuksista (esim. Kaasujen päästö- ja absorptiolinjat , erityisesti tunnetut Fraunhofer-linjat ja resonanssifluoresenssi- ilmiö ) ja metallisista pinnoista valokuvaustehosteen kautta tiedettiin , että energianvaihto valon ja atomien välillä tai myös yksittäiset elektronit tapahtuvat vain tietyissä energiapaketeissa, valokvantteissa .

Vuonna 1913 Niels Bohr kehitti hänen nimensä mukaisen atomimallin ajatuksesta, että atomissa on myös tiettyjen kiinteiden energioiden tilat, energiatasot . Viivaspektrin on vety , joka on tunnettu pitkän aikaa, voidaan selittää ylimääräinen oletus siitä, mikä todetaan elektroni voi olettaa atomissa . Vastaavasti atomit vapauttavat tai absorboivat energiaa vaihtamalla mahdollisista tiloista toiseen ja kvanttifysiikan mukaan lähettävät tai absorboivat valokvantin, jonka energiasisällön antaa kahden tilan välinen energiaero. Bohrin taajuusolosuhde, joka vastaa Albert Einsteinin vuonna 1905 vahvistamaa valokvanttikaavaa, antaa valokvantin aallonpituuden atomin energiamuutoksen kautta : ${\ displaystyle \ Delta E}$

${\ displaystyle \ Delta E = | E_ {a} -E_ {e} | = h \ nu = {\ frac {hc} {\ lambda}}}$.

Siinä se on

• ${\ displaystyle E_ {a}}$ alkutilan energia,
• ${\ displaystyle E_ {e}}$ lopputilan energia,
• ${\ displaystyle c}$valon nopeus ,
• ${\ displaystyle \ nu}$- spektriviivan taajuus ja
• ${\ displaystyle h}$Planckin vakio .

Franck-Hertz-kokeilu vahvisti atomin erilliset energiatasot siinä, että atomi ei saa energiaansa valokvantista, vaan joustamattomasta elektroni- iskusta.

Franck ja Hertz eivät kuitenkaan suorittaneet kokeita Bohrin atomimallin tarkistamiseksi, koska he tunsivat sen tuolloin vain lyhyesti. Ne halusivat käyttää laitetta mitata ionisaatio energiat monatomic kaasujen koska, teorian mukaan, joka oli laajalle levinnyt tuolloin, ionisaatio on ainoa muoto, jossa atomit voivat absorboida energiaa (lukuun ottamatta kineettinen energia koko atomia), ja koska tämän jälkeen yleisesti hyväksytty teoria sähkö purkautuu mukaan JS Townsend epäonnistui monatomisten kaasujen kanssa. He näkivät valokvanttien syntymisen, joiden energia vastasi täsmälleen törmäävien elektronien energiahäviöitä, seurauksena elohopeaionin rekombinaatiosta elektronilla, koska tämä vapauttaa tarkalleen ionisaatioenergiaa. Bohrin postulaattien esittämiseen asti tämä oli myös yleisesti hyväksytty tulkinta. Franck ja Hertz toistivat kantansa, jonka mukaan ionisaatioenergia oli 4,9 eV, jopa vuonna 1916, sen jälkeen kun Bohrin atomimalli oli jo pitkälti saanut hyväksynnän ja heidän kokeilunsa katsottiin yleensä suoraksi vahvistukseksi Bohrin postulaateista. Vakuuttava kokeellinen todiste siitä, että elohopeaa ei ionisoida 4,9 eV: n energiansyötöllä, mutta vain 11,4 eV: llä, tosiasiallisesti esitti vasta vuonna 1917 Davis ja Goucher, ja vasta sitten Franck ja Hertz olivat samaa mieltä tulkinnasta (kuten johdannossa esitetään) , joka oli nyt vihdoin osoittautunut oikeaksi.

Franck-Hertz -kokeilu

Kokeellinen kokoonpano

Peruspiirikaavio (ei mittakaavassa)

Lasipullo sisältää kaasua (enimmäkseen elohopeahöyryä , mutta myös neon on yleistä) matalassa paineessa, tyypillisesti välillä 10-20 mbar. Toisessa päässä on kuuma katodi K , jota lämmittää virtalähde U _h . Verkkoon G etäisyydellä cm on positiivisessa potentiaalissa suhteessa katodin johtuen kontrolloitavissa positiivinen jännite U _b (joka on alueella muutama V). Kokoomaelektrodi , johon virta mitataan, sijaitsee suoraan taakse verkkoon ja sitä vastapäätä on hieman negatiivinen potentiaali U _g noin 1 V.

Tämän järjestelyn tarkoituksena on kiihdyttää elektroneja K: n ja G: n välillä ja antaa niiden törmätä elohopeaatomiin. G: n ja A: n välinen heikko vastakenttä sulkee sitten virranmittauksesta kaikki elektronit, joilla ei ole tiettyä minimienergiaa G: n läpi kulkettaessa ( vastakenttomenetelmä ).

Katodin lähettämät elektronit kiihtyvät ja saavuttavat suurimman nopeutensa välittömästi ristikon edessä. Verkkoon laskeutuvat elektronit kulkeutuvat takaisin katodiin virtalähteen U _{b avulla} . Muut kulkevat verkon läpi, ja ristikon ja keräyselektrodin A välinen heikko sähkökenttä hidastaa heitä . Matalan energian elektronit eivät pysty voittamaan vastakenttää ja lopulta laskeutumaan verkkoon. Vain elektronit, joilla on riittävästi energiaa, osuvat A: han ja mitataan paluumatkalla herkän ampeerimittarin avulla .

Toteutus ja havainnointi

Sieppaajan virta Franck-Hertz-kokeessa elohopeaa (Hg)

Franck-Hertz -kokeilu elohopealla: 2 vaaleanvihreää luminoivaa kerrosta ristikon alla (yllä olevassa kuvassa) kiihdytysjännitteellä 10 V.

Jos kiihdytysjännite nostetaan U _b = 0 yläpuolella arvo U _g , mitattu virta-arvot aluksi alkaa lisätä (alue (1) kuviossa). Tietystä jännitearvosta (riippuen kaasun täyttämisestä) virta putoaa (2), saavuttaa minimiarvon ja kasvaa sitten uudelleen (3). Noin kaksinkertainen jännitteen arvoon, jolla virta ensin laskee, se laskee uudelleen (4) ja nousee sitten uudelleen. Tämä toistetaan suunnilleen jaksoittain, virran kasvaessa joka kerta suurempaan arvoon. (Toisin kuin monet yksinkertaistetut esitykset, maksimien ja minimien väliset etäisyydet eivät ole täysin vakiot (katso alla).

Neonilla testattaessa ensimmäisen minimiarvon saavuttamisen jälkeen ristikon edessä näkyy hehkuva kerros, joka liikkuu katodia kohti jännitteen kasvaessa. Jokaisen uuden minimin myötä syntyy toinen valovoima. Tätä ei voida havaita elohopean kanssa, koska tuloksena oleva säteily on UV-alueella.

Koko virta putken läpi, eli katodivirran tai summa verkkoon ja kollektorivirta, osoittaa tällaista ajoittaiset muutokset, mutta lisääntyy jännite suhteessa U _b ^3/2 ( Schottky-yhtälö ), kuten on putki diodi . Toisin kuin tyhjiöputkissa, virta ei kyllästy suurella jännitteellä, mutta kasvaa yhtäkkiä ja jyrkästi tietystä sytytysjännitteestä (elohopealle täällä noin 40 V) kaasupurkauksen vuoksi . Putken vahingoittumisen välttämiseksi virtaa kokeellisessa asennossa rajoittaa sopiva vastus sarjassa katodin kanssa.

Selitys

Pienillä jännitteillä virta kasvaa jännitteen mukana, koska kiihdytyskenttä vahvistuu ja (kuten jokaisessa tyhjiöputkessa) enemmän elektroneja voidaan imeä katodin ympärillä olevasta avaruusvara-alueesta. Virran voimakkuuden dramaattinen lasku, kun jännite ylittää kynnysarvon, osoittaa, että monet elektronit ovat menettäneet energiaa matkalla kaasun läpi, joten he eivät enää pääse läpi kollektoriin vastakkaisen kentän takia. Tämä johtuu siitä, että elektronit, niin pian kuin ne saavuttavat tietyn liike-energia (elohopea n. 4,9 eV, vastaa siirtymistä - ja - taso), voidaan vapauttaa tämän energian, kun ne törmäävät atomin, eli ne törmäävät epäelastisesti. Jos energia on pienempi, atomi (kokonaisuutena) voi tehdä vain elastisia törmäyksiä elektronin kanssa, jossa käytännössä mitään energiaa ei siirry suuren massaeron vuoksi. Joustamattoman törmäyksen sattuessa osumaatomi on innoissaan; toisin sanoen lähetetty energia ei näytä olevan sen painopiste. Bohrin atomimallissa energia siirretään yhteen kuorielektroniin nostamalla sitä korkeammalle energiatasolle. Koska tämä tila on epävakaa, elektroni putoaa takaisin aikaisempaan tilaansa vähän aikaa myöhemmin (suuruusluokka ) ja lähettää valokvantin . ${\ displaystyle 6 ^ {1} S_ {0}}$${\ displaystyle 6 ^ {3} P_ {1}}$${\ displaystyle 10 ^ {- 8} {\ text {s}}}$

Jos elektronin liike-energia on hieman yli 4,9 eV ennen joustamatonta törmäystä, sillä ei ole jälkikäteen tarpeeksi energiaa hidastavan vastakentän voittamiseksi. Minimissä mitattu virta ei kuitenkaan putoa nollaan, koska vain osa elektronista törmää epämuodollisesti atomien kanssa. Aina on elektroneja, jotka saavuttavat tarvittavan energian (vähän ennen verkkoa), mutta eivät enää löydä törmäyskumppania lyhyen polun takia verkkoon. Lisäksi virittyneiden atomien lähettämä UV-säteily voi vapauttaa elektronia putken eri kohdissa valotehosteen avulla , jotka keräyselektrodi houkuttelee ja vaikuttavat mitattuun virtaan. Franck ja Hertz kuitenkin olettivat virheellisesti alkuperäisessä tulkinnassaan, että elohopeaatomi ionisoidaan 4,9 eV: ssä ja että tämän virran vähimmäisarvo perustuu (positiivisiin) ioneihin, jotka nyt siirtyvät katodiin. Bohrin esittämä ajatus neutraalien atomien innoissaan oloista oli heille vielä vieras.

Kun kiihdytysjännite kasvaa edelleen, vyöhyke, jolla elektronit saivat ensin tarvittavan kineettisen energian, siirtyy lähemmäksi katodia. Siksi energian menettämisen jälkeen elektronit kiihtyvät jälleen hiukan, niin että jarrutusjännitteen ylittävien elektronien määrä kasvaa jälleen (3). Tämä pätee siihen asti, kunnes kiihdytysjännite on niin suuri, että elektronit ottavat 4,9 eV: n uudelleen ensimmäisen joustamattoman törmäyksen jälkeen ja voivat törmätä epäelastisesti toisen kerran (4). Sitten on kaksi viritetyn elohopeaatomin vyöhykettä, toinen puolivälissä ristikkoon ja toinen aivan sen edessä.

Elohopeaatomien lähettämän valon (kvanttienergia 4,9 eV) aallonpituus on kuitenkin noin 253 nm ultraviolettialueella, joten se ei ole näkyvissä. 8 eV: ssä on kuitenkin edelleen tasoja, jotka virityksen jälkeen muuttuvat aluksi 4,9 eV: n tasolle ja lähettävät näkyvän vihreän valon kvantin. Erilliset valovyöhykkeet voidaan selvästi nähdä neontäytteellä, jos kiihdytysjännite on useita kertoja riittävä nostamaan elektroni täysin varatulta 2p-tasolta yhdelle korkeimmista 3p-tasoista välillä 18,4 eV - 19,0 eV. Koska tällä tavalla viritetty Ne-atomi menettää ensin viritysenergiansa pienessä vaiheessa 3s-tasolle, joka on noin 2,5 eV matalampi, minkä vuoksi syntyy näkyvää oranssinkeltaista valoa.

Tarkempi tulkinta kokeesta, joka julkaistiin vasta 1900-luvun lopulla, ottaa huomioon avaruusvarauksen vaikutukset ja sen, että elektronit eivät muodosta suunnattua sädettä, vaan ne taipuvat kaikkiin suuntiin (myös takaisin) lukuisien elastisten törmäysten vuoksi. Täydellisen selityksen saamiseksi on myös otettava huomioon eri tasot ja erilaiset stimulaatiotodennäköisyydet. Tämän seurauksena esimerkiksi matalinta viritystasoa ei havaita neonilla eikä elohopealla, vaan korkeammalla.

Kokeen laajennukset

Parempi resoluutio sähköisellä "suurennuslasilla"

Kytkentäkaavio parantaa tason tarkkuutta

Edellisen luvun yksinkertaisessa piirissä elektronien kiihtyvyys ja reaktiotie yhtyvät. Ottamalla käyttöön toinen ruudukko on mahdollista erottaa molemmat alueet ja havaita korkeammat energiatasot korkeammalla energiatarkkuudella.

Tätä tarkoitusta varten katodin ja ristikon 1 välinen etäisyys valitaan hyvin pieneksi, niin että elektronit tuskin voivat suorittaa joustamattomia törmäyksiä kaasuatomien kanssa, kun taas U _G1 kiihdyttää niitä (noin 10 V) melkein korkeimpien tasojen edellyttämään energiaan. Ruudukon 1 ja verkon 2 välillä niitä kiihdytetään huomattavasti suuremmalla etäisyydellä huomattavasti pienemmällä jännitteellä AU (suuruusluokassa 0,1 V), minkä seurauksena niiden nopeus kasvaa vain asteittain. Kuten alkuperäisessä laitteessa (yllä), elektronien joustamattomat törmäykset osoitetaan sillä, että ne eivät pysty voittamaan myöhempää vastajännitettä ristikon 2 ja levyn A välillä. Joustamattoman törmäyksen energiakynnys voidaan siten havaita paljon tarkemmin.

Muut kaasutäytteet

Myrkyllisen elohopean käytön välttämiseksi ja didaktisista syistä koe tehdään kaasu-neonilla, erityisesti kouluharjoitteluissa. Tässä viritysenergiat ovat suurempia, ne ovat välillä 18,4 eV - 19,0 eV - tämän energian valonemissio ei olisi näkyvällä alueella. Viriteltyjen neoniatomien viritys tapahtuu myös välitilojen kautta, joiden energiat ovat välillä 16,6 eV ja 16,9 eV. Siksi syntyy myös fotoneja, joiden energia-alue on 2 eV, mikä johtaa puna-oranssiin valoon. Jos jännite vastaa herätteen jännitteen moninkertaista arvoa, putkessa voidaan nähdä vastaava määrä vierekkäisiä valoalueita.

• 

  Franck-Hertz kokeilee neonia: kolme valokerrosta ristikkojen välissä

• 

  Franck-Hertz -kokeilu neonilla: oskillogrammi virrasta vastaanottimeen

nettilinkit

• LP - Franck-Hertz-kokeilu Göttingenin yliopiston verkkosivustolla (sis. Luonnokset, valokuvat, videot ja viitteet)
• Animaatio opiskelijatasolla ( LEIFI )
• Vuorovaikutteinen kokeilu Kansasin osavaltion yliopiston verkkosivustolla (englanti, vaatii Adobe Shockwave )

Yksittäiset todisteet

1. Franc J. Franck ja G. Hertz: Tietoja elektronien ja elohopeahöyrymolekyylien törmäyksistä ja niiden ionisaatiojännitteestä . Julkaisussa: Verh. Dtsch. Phys. Ges. Band 16 , 1914, s. 457-467 , doi : 10.1002 / phbl.19670230702 .  (Otteita verkossa on Leifi -Physik)
2. ↑ Bergen Davis ja FS Goucher: Ionisointi ja säteilyn herättäminen elektroni-iskuilla elohopeahöyryssä ja vedyssä , julkaisussa: Phys. Rev. 10. osa (1917), sivut 101-115
3. ↑ G. Rapior, K. Sengstock, V. Baev: Uusia ominaisuuksia Franckin ja Hertzin koe . Julkaisussa: Amer. J. Phys. Ei. 74 , 2006, s. 423-428 , doi : 10,1119 / 1,2174033 ( uni-jena.de [PDF; näytetty 30 lokakuu 2020]). 
4. ^ RE Robson, B. Li ja RD White: Spatiaalisesti jaksolliset rakenteet elektroniparvissa ja Franck-Hertz-kokeilu . Julkaisussa: J. Phys. B: Klo. Mol. Opt. Phys . Ei. 33 , 2000, s. 507 , doi : 10.1088 / 0953-4075 / 33/3/318 . 
5. ^ RE Robson, M.Hildebrandt ja RD White: atomifysiikan kulmakivi . Julkaisussa: Physics Journal . Ei. 3 , 2014, s. 43 ( pro-physik.de [PDF; käytetty 30. lokakuuta 2020]). 
6. ↑ Frank Hertz -kokeilu. (PDF; 171 kB) Physikalisches Institut Tübingen, käyty 30. lokakuuta 2020 (neontermikaavio luku FH.2 fysiikan laboratorion I + II koeoppaassa).