Franck-Hertz deneyi - Franck–Hertz experiment

Kapalı bir cam silindirin fotoğrafı. Teller silindire üstünden, altından ve yandan girer. Üç tel bir katot montajına yol açar; üst ve yan teller bir diske ve birbirine yakın ve paralel bir ağa götürür. Teller, arka planda bir alüminyum panel üzerindeki geçişlere tutturulmuştur.
Öğretim laboratuvarlarında Franck-Hertz deneyi için kullanılan bir vakum tüpünün fotoğrafı. Fotoğrafta görünmese de tüpün içinde bir damla cıva var. C - katot montajı; katotun kendisi sıcaktır ve turuncu renkte parlar. Metal örgü ızgaradan (G) geçen ve anot (A) tarafından elektrik akımı olarak toplanan elektronları yayar.
Bir kısmı serisi üzerinde
Kuantum mekaniği
Deneyler

Franck Hertz Deneyi açıkça göstermek için ilk elektrik ölçüm oldu atomların kuantum doğasını ve dolayısıyla "Dünyanın anlayışımızı dönüştürdü". 24 Nisan 1914'te Alman Fizik Derneği'ne James Franck ve Gustav Hertz tarafından yazılan bir makalede sunuldu . Franck ve Hertz, ince bir cıva atomu buharından geçen enerjik elektronları incelemek için bir vakum tüpü tasarlamışlardı . Bir elektronun cıva atomuyla çarpışması durumunda, uçmadan önce kinetik enerjisinin yalnızca belirli bir miktarını (4,9 elektron volt ) kaybedebileceğini keşfettiler . Bu enerji kaybı, elektronun saniyede yaklaşık 1,3 milyon metrelik bir hızdan sıfıra yavaşlatılmasına karşılık gelir . Daha hızlı bir elektron, çarpışmadan sonra tamamen yavaşlamaz, ancak kinetik enerjisinin tam olarak aynı miktarını kaybeder. Daha yavaş elektronlar, önemli bir hız veya kinetik enerji kaybetmeden sadece cıva atomlarından seker.

Bu deneysel sonuçların , Niels Bohr tarafından önceki yıl önerilen atomlar için Bohr modeliyle tutarlı olduğu kanıtlandı . Bohr modeli, kuantum mekaniğinin ve atomların elektron kabuğu modelinin öncüsüydü. Temel özelliği, bir atomun içindeki bir elektronun atomun "kuantum enerji seviyelerinden" birini işgal etmesiydi. Çarpışmadan önce, cıva atomunun içindeki bir elektron, mevcut en düşük enerji seviyesini işgal eder. Çarpışmadan sonra, içindeki elektron 4,9 elektron volt (eV) daha fazla enerji ile daha yüksek bir enerji seviyesini işgal eder. Bu, elektronun cıva atomuna daha gevşek bir şekilde bağlandığı anlamına gelir. Bohr'un kuantum modelinde ara düzeyler veya olasılıklar yoktu. Bu özellik "devrim niteliğindeydi" çünkü bir elektronun bir atomun çekirdeğine herhangi bir miktarda enerji ile bağlanabileceği beklentisiyle tutarsızdı .

Mayıs 1914'te sunulan ikinci bir makalede, Franck ve Hertz, çarpışmalardan enerji emen cıva atomlarının ışık yayılımını bildirdi. Bu ultraviyole ışığın dalga boyunun , uçan elektronun kaybettiği 4,9 eV enerjiye tam olarak karşılık geldiğini gösterdiler . Enerji ve dalga boyu arasındaki ilişki de Bohr tarafından tahmin edilmişti. Bu sonuçların birkaç yıl sonra Franck tarafından sunulmasının ardından, Albert Einstein'ın "Seni ağlatacak kadar güzel" dediğini söylediği söyleniyor.

10 Aralık 1926'da Franck ve Hertz, "bir elektronun bir atom üzerindeki etkisini düzenleyen yasaları keşfettikleri için" 1925 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü .

Deney

Grafik. Dikey eksen "akım" olarak etiketlenir ve isteğe bağlı birimlerde 0 ile 300 arasında değişir. Yatay eksen "voltaj" olarak etiketlenmiştir ve 0 ila 15 volt arasında değişir. Eğri, makalenin metninde açıklanmıştır.
Anot akımı (rastgele birimler) ile şebeke voltajı (katoda göre). Bu grafik, Franck ve Hertz'in 1914 tarihli orijinal makalesine dayanmaktadır.

Franck ve Hertz'in orijinal deneyinde bir damla cıva içeren ısıtılmış bir vakum tüpü kullanıldı ; cıvanın buhar basıncının yaklaşık 100 paskal (ve atmosfer basıncının çok altında) olduğu 115 ° C'lik bir tüp sıcaklığı bildirmişlerdir . Fotoğrafta çağdaş bir Franck-Hertz tüpü gösterilmektedir. Üç elektrotla donatılmıştır: elektron yayan, sıcak katot ; metal bir ızgara ; ve bir anot . Izgaranın voltajı katoda göre pozitiftir, böylece sıcak katottan yayılan elektronlar ona çekilir. Deneyde ölçülen elektrik akımı, ızgaradan geçerek anoda ulaşan elektronlardan kaynaklanmaktadır. Anotun elektrik potansiyeli ızgaraya göre biraz negatiftir, böylece anoda ulaşan elektronlar ızgarayı geçtikten sonra en azından karşılık gelen miktarda kinetik enerjiye sahip olurlar.

10 V'ta çalışan bir cıva buharı deşarjı ve bir Franck-Hertz tüpü tarafından yayılan ışığın dalga boyları. Franck – Hertz tüpü öncelikle 254 nanometreye yakın bir dalga boyunda ışık yayar; deşarj birçok dalga boyunda ışık yayar. Orijinal 1914 rakamına göre.

Franck ve Hertz tarafından yayınlanan grafikler (şekle bakınız), anottan akan elektrik akımının ızgara ile katot arasındaki elektrik potansiyeline bağımlılığını göstermektedir.

  • Düşük potansiyel farklarında - 4,9 volta kadar - tüp içinden geçen akım, artan potansiyel farkıyla istikrarlı bir şekilde arttı. Bu davranış, cıva buharı içermeyen gerçek vakum tüpleri için tipiktir; daha büyük voltajlar daha büyük " alan şarjı sınırlı akıma " yol açar .
  • 4,9 voltta akım keskin bir şekilde düşer ve neredeyse sıfıra döner.
  • Akım daha sonra voltaj daha da yükseldikçe, 9,8 volta (tam olarak 4,9 + 4,9 volt) ulaşılana kadar sabit bir şekilde artar.
  • 9,8 voltta benzer bir keskin düşüş gözlenir.
  • Şeklin orijinal ölçümlerinde açık olmasa da, akımdaki bu düşüşler dizisi yaklaşık 4,9 voltluk artışlarla en az 70 voltluk potansiyellere kadar devam ediyor.

Franck ve Hertz, ilk makalelerinde deneylerinin 4,9 eV karakteristik enerjisinin, gaz deşarjlarında cıva atomları tarafından yayılan ışık dalga boylarından birine çok iyi karşılık geldiğini belirtti . Eksitasyon enerjisi ile karşılık gelen ışık dalga boyu arasında kuantum bir ilişki kullanıyorlardı , bunu genel olarak Johannes Stark ve Arnold Sommerfeld'e atfettiler ; 4.9 eV'nin 254 nm dalga boyuna sahip ışığa karşılık geldiğini tahmin ediyor. Aynı ilişki, Einstein'ın fotoelektrik etkinin 1905 foton teorisine de dahil edildi . İkinci bir makalede Franck ve Hertz, 254 nm'lik tek bir belirgin dalga boyuna sahip ışık yayan tüplerinden optik emisyonu bildirdi. Sağdaki şekil bir Franck-Hertz tüpünün spektrumunu göstermektedir; yayılan ışığın neredeyse tamamı tek bir dalga boyuna sahiptir. Referans için, şekil ayrıca 254 nm'nin yanı sıra birkaç dalga boyunda ışık yayan bir cıva gazı deşarj ışığı spektrumunu da göstermektedir. Şekil, Franck ve Hertz tarafından 1914'te yayınlanan orijinal spektrumlara dayanmaktadır. Franck-Hertz tüpünün, neredeyse tam olarak ölçtükleri voltaj periyoduna karşılık gelen tek bir dalga boyunu yayması çok önemliydi.

Atomlarla elektron çarpışmalarının modellenmesi

Her birinin içinde "Hg" etiketi olan üç daireyi gösteren çizim. Üstteki daire "elastik çarpışma" olarak adlandırılmıştır. Biri daireyi, diğeri uzağı gösteren eşit uzunlukta iki okun yanındadır. Ortadaki daire "esnek olmayan çarpışma" olarak etiketlenmiştir ve onu işaret eden daha uzun bir ok ve uzaklaşan daha kısa bir ok vardır. En alttaki daire "ışık yayımı" olarak etiketlenmiştir ve uzaklığı gösteren dalgalı bir okun yanında yer alır.
Elektronların cıva atomları ile elastik ve esnek olmayan çarpışmaları. Esnek çarpışmalardan sonra yavaş hareket eden elektronlar yön değiştirirler, ancak hızlarını değiştirmezler. Daha hızlı elektronlar, esnek olmayan çarpışmalarda hızlarının çoğunu kaybeder. Kayıp kinetik enerji cıva atomuna yatırılır. Atom daha sonra ışık yayar ve orijinal durumuna geri döner.

Franck ve Hertz deneylerini elektronlar ve cıva atomları arasındaki elastik ve esnek olmayan çarpışmalar açısından açıkladılar . Yavaş hareket eden elektronlar, cıva atomları ile elastik olarak çarpışır. Bu, elektronun hareket ettiği yönün çarpışma tarafından değiştirildiği, ancak hızının değişmediği anlamına gelir. Okun uzunluğunun elektronun hızını gösterdiği şekilde elastik bir çarpışma gösterilmektedir. Cıva atomu, çoğunlukla bir elektrondan yaklaşık dört yüz bin kat daha büyük olduğu için çarpışmadan etkilenmez.

Elektronun hızı saniyede yaklaşık 1,3 milyon metreyi aştığında, cıva atomu ile çarpışmalar esnek olmayan hale gelir. Bu hız, civa atomuna depolanan 4,9 eV'lik bir kinetik enerjiye karşılık gelir. Şekilde gösterildiği gibi, elektronun hızı azalır ve cıva atomu "uyarılır". Kısa bir süre sonra, cıva atomuna biriken 4,9 eV enerji, tam olarak 254 nm dalga boyuna sahip ultraviyole ışık olarak salınır. Işık yayılmasının ardından cıva atomu, uyarılmamış orijinal durumuna geri döner.

Katottan yayılan elektronlar şebekeye ulaşana kadar serbestçe uçarsa, şebekeye uygulanan voltajla orantılı bir kinetik enerji elde ederler. 1 eV kinetik enerji, ızgara ile katot arasında 1 voltluk bir potansiyel farkına karşılık gelir. Cıva atomları ile elastik çarpışmalar, bir elektronun ızgaraya ulaşması için geçen süreyi arttırır, ancak oraya gelen elektronların ortalama kinetik enerjisi fazla etkilenmez.

Şebeke voltajı 4,9 V'a ulaştığında, şebekenin yakınındaki elektron çarpışmaları esnek olmayan hale gelir ve elektronlar büyük ölçüde yavaşlar. Şebekeye gelen tipik bir elektronun kinetik enerjisi, voltajı elektronları hafifçe itecek şekilde ayarlanmış anoda ulaşmak için daha fazla ilerleyemeyecek kadar azaltılır. Grafikte görüldüğü gibi anoda ulaşan elektronların akımı düşer. Şebeke voltajındaki daha fazla artış, elastik olmayan çarpışmalara maruz kalan elektronlara, tekrar anoda ulaşabilecekleri kadar enerji sağlar. Şebeke potansiyeli 4,9 V'un üzerine çıktıkça akım tekrar yükselir. 9,8 V'de durum yeniden değişir. Katottan ızgaraya kabaca yarısına kadar seyahat eden elektronlar, ilk esnek olmayan çarpışmaya maruz kalmaya yetecek kadar enerji elde etmişlerdir. Orta noktadan ızgaraya doğru yavaşça ilerledikçe, kinetik enerjileri tekrar artar, ancak ızgaraya ulaştıklarında ikinci bir esnek olmayan çarpışmaya maruz kalabilirler. Bir kez daha, anoda giden akım düşer. 4.9 voltluk aralıklarla bu işlem tekrarlanacaktır; elektronlar her seferinde bir ek elastik olmayan çarpışmaya maruz kalacaktır.

Erken kuantum teorisi

Çizim, üstte "vakum seviyeleri" olarak etiketlenmiş geniş bir dikdörtgene sahiptir. Dikdörtgenin altında ve solunda dikdörtgende biten dikey bir ok bulunur; ok, "elektron bağlama enerjisi" olarak etiketlenmiştir. Ortada, dikdörtgenin altına paralel, ince bir şekilde ayrılmış uzun çizgiler dizisi vardır; bunlar "klasik enerji seviyeleri" olarak adlandırılır. Sağda, iyi ayrılmış dört paralel çizgi dizisi vardır; bunlar "kuantum enerji seviyeleri" olarak adlandırılır.
Bohr atom modeli, bir elektronun bir atom çekirdeğine yalnızca kuantum enerji seviyelerine karşılık gelen bir dizi spesifik enerjiden biri ile bağlanabileceğini varsayıyordu. Daha önce, parçacıkların bağlanmasına yönelik klasik modeller, herhangi bir bağlanma enerjisine izin veriyordu.

Franck ve Hertz 1914'te deneylerini yayınladıklarında bundan habersizken, 1913'te Niels Bohr atomik hidrojenin optik özelliklerini açıklamada çok başarılı olan atomlar için bir model yayınlamıştı. Bunlar genellikle bir dizi dalga boyunda ışık yayan gaz deşarjlarında gözlemlendi. Akkor ampuller gibi sıradan ışık kaynakları tüm dalga boylarında ışık yayar. Bohr, hidrojenin yaydığı dalga boylarını çok doğru bir şekilde hesaplamıştı.

Bohr modelinin temel varsayımı, bir elektronun bir atomun çekirdeğine olası bağlanma enerjileriyle ilgilidir. Başka bir parçacıkla çarpışma en azından bu bağlama enerjisini sağlıyorsa atom iyonize edilebilir . Bu, elektronu atomdan kurtarır ve arkasında pozitif yüklü bir iyon bırakır. Dünyanın yörüngesinde dönen uydularla bir benzetme var. Her uydunun kendi yörüngesi vardır ve pratik olarak herhangi bir yörünge mesafesi ve herhangi bir uydu bağlama enerjisi mümkündür. Bir elektron, atom çekirdeğinin pozitif yüküne benzer bir kuvvet tarafından çekildiğinden, "klasik" olarak adlandırılan hesaplamalar, herhangi bir bağlanma enerjisinin elektronlar için de mümkün olması gerektiğini ileri sürer. Bununla birlikte Bohr, elektron için "kuantum enerji seviyelerine" karşılık gelen yalnızca belirli bir dizi bağlanma enerjisinin meydana geldiğini varsaydı. Bir elektron normalde en büyük bağlanma enerjisine sahip en düşük enerji seviyesinde bulunur. Daha küçük bağlanma enerjileriyle ek seviyeler daha yüksektir. Bu seviyeler arasında yer alan ara bağlanma enerjilerine izin verilmez. Bu devrimci bir varsayımdı.

Franck ve Hertz, deneylerinin 4,9 V karakteristiğinin cıva atomlarının katotta yayılan uçan elektronlarla çarpışarak iyonlaşmasından kaynaklandığını öne sürmüşlerdi. 1915'te Bohr, Franck ve Hertz'in ölçümlerinin kendi atom modelindeki kuantum seviyeleri varsayımıyla daha tutarlı olduğunu belirten bir makale yayınladı. Bohr modelinde, çarpışma atomun içindeki bir elektronu en düşük seviyeden üstündeki ilk kuantum seviyesine kadar uyandırdı. Bohr modeli, iç elektronun uyarılmış kuantum seviyesinden en düşük seviyeye geri döndüğünde ışığın yayılacağını da öngördü; onun dalga boyu Bohr ilişkisi olarak adlandırılan atomun iç seviyelerinin enerji farkına karşılık geliyordu. Franck ve Hertz'in 254 nm'de tüplerinden emisyon gözlemleri de Bohr'un bakış açısıyla tutarlıydı. 1918'de I.Dünya Savaşı'nın sona ermesinin ardından yazan Franck ve Hertz, kuantum mekaniğinin deneysel sütunlarından biri haline gelen deneylerini yorumlamak için büyük ölçüde Bohr perspektifini benimsemişlerdi. Abraham Pais'in açıkladığı gibi, "Şimdi Franck ve Hertz'in çalışmasının güzelliği sadece çarpan elektronun E 2 - E 1 enerji kaybının ölçülmesinde yatıyor , aynı zamanda bu elektronun enerjisi 4,9 eV'yi aştığında gözlemlediler. , cıva yukarıdaki formülde tanımlandığı gibi belirli bir frekansta ν ultraviyole ışık yaymaya başlar . Böylece Bohr ilişkisinin ilk doğrudan deneysel kanıtını (ilk başta farkında olmadan) verdiler! " Franck, Ultraviyole emisyon deneyinin önemini , Franck-Hertz deneyi hakkında 1960 Fizik Bilimi Çalışma Komitesi (PSSC) filminin bir sonsözünde vurguladı.

Neon ile deneme

Neon gazı ile Franck-Hertz deneyi: 3 parlayan bölge

Öğretim laboratuvarlarında, Franck-Hertz deneyi genellikle , vakum tüpünde görünür turuncu bir parıltıyla elastik olmayan çarpışmaların başlangıcını gösteren ve tüpün kırılması durumunda toksik olmayan neon gazı kullanılarak yapılır . Cıva tüpleri ile, elastik ve esnek olmayan çarpışmalar için model, cıvanın ışık yaydığı, anot ve ızgara arasında dar bantlar olması gerektiğini öngörür, ancak ışık morötesi ve görünmezdir. Neon ile Franck – Hertz voltaj aralığı 18,7 volttur ve 18,7 volt uygulandığında ızgaranın yanında turuncu bir parıltı belirir. Bu ışıma, artan hızlanma potansiyeli ile katoda daha yakın hareket edecek ve elektronların bir neon atomunu harekete geçirmek için gereken 18.7 eV'yi elde ettiği yerleri gösterir. 37.4 voltta iki farklı ışıma görülecektir: biri katot ile ızgara arasında, diğeri ise hızlanan ızgarada. 18,7 volt aralıklarla yerleştirilmiş daha yüksek potansiyeller, tüpte ek parlayan bölgelere neden olacaktır.

Eğitim laboratuvarları için neonun ek bir avantajı, tüpün oda sıcaklığında kullanılabilmesidir. Bununla birlikte, görünür emisyonun dalga boyu Bohr ilişkisi ve 18.7 V aralığı tarafından tahmin edilenden çok daha uzundur. Turuncu ışık için kısmi bir açıklama, en düşük seviyenin 16.6 eV ve 18.7 eV üzerinde bulunan iki atomik seviyeyi içerir. 18.7 eV seviyesine heyecanlanan elektronlar, eşlik eden turuncu ışık emisyonuyla birlikte 16.6 eV seviyesine düşer.

Referanslar

daha fazla okuma