Franck-Hertz Deneyi: Kuantum Teorisinin Bir Gösterimi
20. asrın başında kuantum teorisi emekleme dönemindeydi. Bu yeni kuantum dünyasının temel ilkesi, enerjinin nicelleştirilmesi olup, ışığın fotonlardan oluştuğu, her birinin bir enerji birimi taşıdığı ve elektronların bir atom içindeki ayrı enerji seviyelerini işgal ettiği düşünülebilir. Bu ayrık elektron enerji seviyeleri, 1913’te ortaya çıkarılan atomun Bohr modelinin kilit noktası olmuştur. James Franck ve Gustav Hertz […]
20. asrın başında kuantum teorisi emekleme dönemindeydi. Bu yeni kuantum dünyasının temel ilkesi, enerjinin nicelleştirilmesi olup, ışığın fotonlardan oluştuğu, her birinin bir enerji birimi taşıdığı ve elektronların bir atom içindeki ayrı enerji seviyelerini işgal ettiği düşünülebilir. Bu ayrık elektron enerji seviyeleri, 1913’te ortaya çıkarılan atomun Bohr modelinin kilit noktası olmuştur.
James Franck ve Gustav Hertz tarafından gerçekleştirilen Franck-Hertz deneyi 1914’te sunulmuştur. Ve ilk kere bu ayrık enerji düzeylerini sarihçe göstermiştir. Fizikte 1925 Nobel Mükâfatı tarafından kabul edilen tarihi bir deney olmuştur. Fizikte Franck-Hertz deneyi, atomlarda ayrık enerji vaziyetlerinin varlığının ilk deneysel doğrulaması, Alman doğumlu fizikçiler James Franck ve Gustav Hertz tarafından 1914 gerçekleştirilmiştir.
Franck ve Hertz, bir elektron tüpünde bulunan bir gazdan düşük enerjili elektronları yönlendirdi. Elektronların enerjisi usulca çoğaldıkça, elektron akımının neredeyse hiç durmadan tamamen durgunluğa erişmesi için elektron akımının değiştiği belli bir kritik elektron enerjisine erişildi. Gaz atomları, elektronların enerjisini, sadece belirli bir kritik bedele eriştiği zaman absorbe edebildi. Bu, gaz atomlarının içinde atomik elektronların, ayrı bir yüksek enerji seviyesine ani bir geçiş yaptığını gösterir. Bombalama elektronları bu ayrı enerji miktarından daha az olduğu sürece, hiçbir geçiş muhtemel değildir ve elektron akımından hiçbir enerji emilmez. Bu duyarlı enerjiye sahip olduklarında, birden fazla enerji seviyesine yükseltilerek enerjiyi depolayan atomik elektronlara çarpışmalarda hepsini bir anda yitirirler.
Deney
Deneyin ana kısmı, yukarıyada resmedilen Franck-Hertz tüpüdür. Tüp bir vakum oluşturmak için boşaltılır ve daha sonra bir inert gaz tipik olarak cıva veya neon ile doldurulur. Gaz daha sonra düşük bir basınçta ve sabit bir sıcaklıkta tutulur. Tipik deneyler, tüpün sıcaklığının ayarlanabilmesi için bir sıcaklık hakimiyet sistemi içerecektir. Deney sırasında akım, I, ölçülür ve bu ölçüm genellikle bir osiloskop veya bir grafik çizim makinesi ile çıkarılır.
Tüpün değişik bvefatlarine dört değişik voltaj uygulanır. Tüpü bütün olarak kavramak ve bir akımın nasıl üretildiğini kavramak için soldan sağa bvefatlari açıklayamaya çalışacağız. İlk voltaj, UH, metal bir filamenti ısıtmak için kullanılır. Bu, termiyonik emisyon yoluyla serbest elektronlar üretir elektronun kendi elektronundan temizletilmiş elektronunu ufalamak için iş fonksiyonun üstündeki ısı enerjisidir.
Filamentin yakınında bir voltajda V1 yakalanan bir metal ızgara, G1 bulunur. Bu voltaj, daha sonra ızgaradan geçen yeni serbest elektronları sürüklemek için kullanılır. Ardından, süratlenen bir voltaj U2 uygulanır. Bu, elektronları ikinci ızgaraya G2 doğru süratlendirir. Bu ikinci ızgara, toplama anoduna A erişen elektronlara karşı hareket eden U3 durma voltajını yakalanır. Bu anotta bir araya gelen elektronlar, akımı üretir.
Neticeler
Yukarıdaki diyagramda gösterilen, tipik bir Franck-Hertz eğrisinin şeklinin bir örneğidir. Diyagram, anahtar bvefatlari belirtmek üzere etiketlenmiştir. Eğrinin özellikleri nasıl hesaplanır? Atomun ayrık enerji seviyelerine sahip olduğunu varsayarsak, elektronların tüp içindeki gaz atomları ile sahip olabileceği iki cins çarpışma vardır:
Elastik çarpışmalar – Elektron, herhangi bir enerji / sürat kaybetmeden gaz atomunu geri döndürür.
Elastik olmayan çarpışmalar – Elektron gaz atomunu hareketlendirir ve enerji kaybettirir. Ayrık enerji seviyeleri nedeniyle, bu yalnızca kesin bir enerji bedeli için olabilir. Buna eksitasyon enerjisi denir ve atomik toprak gidişatı muhtemel olan en düşük enerji ve daha yüksek bir enerji seviyesi arasındaki enerji farkına karşılık gelir.
Grafik Açıklaması
A – Akım Gözlenmez
Süratlenme voltajı, durdurma voltajının üstesinden gelmek için yeterince güçlü değildir. Dolayısıyla, hiçbir elektron anotta erişmez ve akım üretilmez.
B – Akım 1’e çıkar.
Süratlenme voltajı, elektronların durma voltajını aşmak ve yeterli enerjiyi vermek için yeterli olmakta, ancak gaz atomlarını harekete geçirmek için yeterli olmamaktadır. İvme voltajı çoğaldıkça elektronlar daha çok kinetik enerjiye sahiptir. Bu, boruyu geçme süresini ve dolayısıyla akım çoğalışını eksiltir I = Q / t.
C – Akım 1. abonemi değerdedir.
Süratlenen voltaj şimdi, elektronlara gaz atomlarını harekete geçirecek kadar enerji vermek için yeterlidir. Elastik olmayan çarpışmalar başlayabilir. Elastik olmayan bir çarpışmadan sonra elektron, durdurma potansiyelini aşmak için yeterli enerjiye sahip olmayabilir ve böylece akım düşmeye başlar.
D – Akım maksimum 1’den düşer.
Tüm elektronlar, kendi rastgele termal hareketine sahip olan gaz atomlarıyla elastik çarpışmalara bağlı olarak aynı süratte hareket etmemektedir. Bu sebeple, bazı elektronlar uyarma enerjisine erişmek için diğerlerine göre daha süratlenmeye ihtiyaç dinleyecektir. Bu surattan akım süratle düşmek yerine yavaş yavaş düşer.
E – Akım 1 asgari değerdedir.
Gaz atomların hareketlendiren çok rakamda çarpışmaya erişilmiştir. Bu sebeple, maksimum rakamda elektron anotta erişmiyor ve minimum bir akım vardır.
F – Akım, ikinci bir maksimum bedele kadar tekerrür yükselir.
İlerleyen voltaj, elektronları, elastik olmayan bir çarpışmayla enerji kaybettikten sonra durma potansiyelini aşmaya yetecek kadar süratlendirmek için yeterince çoğaldırılır. Elastik olmayan çarpışmaların vasati konumu, filamana yakın olarak tüpün soluna doğru hareket eder. Akım B’de belirlenen kinetik enerji argümanından dolayı yükselir.
G – Akım 2. abonemi değerdedir.
Süratlenme voltajı şimdi, elektronların, tüpün uzunluğunu hareket ettirirken 2 gaz atomunu harekete geçirecek kadar enerji vermesi için yeterlidir. Elektron süratlenir, elastik olmayan bir çarpışmaya sahiptir, tekerrür süratlenir, başka elastik olmayan çarpışmalara sahiptir ve daha sonra akımın düşmeye başlaması için durma potansiyelinin üstesinden gelmek için yeterli enerjiye sahip değildir.
H – Akım yine 2. abonemi bedelden düşer.
Akım, D’de tarif edilen etki nedeniyle kademeli olarak düşer.
I – Akım 2. minimumdadır.
Gaz atomları ile 2 elastik olmayan çarpışmaya sahip olan maksimum elektron rakamına erişilir. Bu sebeple, maksimum rakamda elektron anotta erişmez ve ikinci bir minimum akıma erişilir.
J – Bu maxima ve minima kalıbı daha yüksek ve daha yüksek süratlenme voltajları için tekerrür eder.
Model daha sonra, daha fazla elastik olmayan çarpışmalar tüpün uzunluğuna takıldıkça yinelenir.
Franck-Hertz eğrilerinin minimumlarının eşit aralıklı olduğu görülebilir deneysel belirsizlikler engellenir. Minimin bu aralığı, gaz atomlarının uyarma enerjisine eşittir cıva için bu 4.9 eV’dir. Eşit aralıklı minimanın gözlenen şekli, atomik enerji seviyelerinin ayrık olması gerektiğinin delilidir.