Yirminci yüzyılın başında, kuantum teorisi emekleme dönemindeydi. Bu yeni kuantum dünyasının temel ilkesi, ışığın, her biri bir enerji birimi taşıyan fotonlardan ve bir atom içinde ayrı enerji seviyelerini işgal eden elektronlardan oluştuğu düşünülebilecek enerji kuantizasyonudur. Bu ayrık elektron enerji seviyeleri, 1913’te açıklanan Bohr atom modelinin anahtarıydı.
James Frank ve Gustav Hertz tarafından yapılan Frank-Hertz deneyi 1914’te tanıtıldı. İlk kez bu ayrık enerji seviyeleri açıkça gösterildi. Bu, 1925 Nobel Fizik Ödülü tarafından tanınan dönüm noktası niteliğinde bir deneydi. Fizikte, atomlardaki ayrık enerji durumlarının varlığının ilk deneysel doğrulaması olan Frank-Hertz deneyi, 1914’te Almanya doğumlu fizikçiler James Frank ve Gustav tarafından yapıldı. Hertz.
Frank ve Hertz, bir elektron tüpünde bulunan bir gazdan düşük enerjili elektronları dönüştürdüler. Elektronların enerjisi yavaşça arttıkça, elektron akımının durmadan neredeyse tam bir durgunluğa ulaştığı şekilde değiştiği belirli bir kritik elektron enerjisine ulaşılmıştır. Gaz atomları, elektronların enerjisini ancak belirli bir kritik değere ulaştıklarında emebildiler. Bu, gaz atomları içinde, atomik elektronların ayrı bir yüksek enerji seviyesine ani bir geçiş yaptığını gösterir. Bombardıman elektronları bu ayrık enerji miktarının altında olduğu sürece, hiçbir transfer mümkün değildir ve elektron akışından hiçbir enerji emilmez. Bu süptil enerjiyi kazandıklarında, birden fazla enerji düzeyine yükseltilirler ve enerjiyi depolayan atomik elektronlarla çarpışmalarda hepsini birden kaybederler.
tecrübe
Deneyin ana kısmı yukarıda gösterilen Frank Hertz tüpüdür. Tüp, bir vakum oluşturmak için vakumlanır ve ardından inert bir gazla (genellikle cıva veya neon) doldurulur. Gaz daha sonra düşük basınçta ve sabit sıcaklıkta tutulur. Tipik deneyler, tüpün sıcaklığının düzenlenebilmesi için bir sıcaklık kontrol sistemi içerecektir. Deney sırasında akım I ölçülür ve bu ölçüm genellikle bir osiloskop veya grafik makinesi kullanılarak çıkarılır.
Tüpün farklı bölümlerine dört farklı voltaj uygulanır. Tüpü tam olarak anlamak ve akımın nasıl üretildiğini anlamak için soldan sağa bölümleri açıklamaya çalışacağız. İlk voltaj olan UH, metal bir filamanı ısıtmak için kullanılır. Bu, termal emisyon yoluyla serbest elektronlar üretir (iş, elektronun elektronunu bozmak için iş fonksiyonu üzerindeki ısı enerjisidir).
Sigortanın yanında metal bir ızgara, G1, voltaj montajlı (V1) bulunur. Bu voltaj, daha sonra kafesten geçen yeni serbest elektronları çekmek için kullanılır. Ardından, hızlandırıcı bir voltaj U2 uygulanır. Bu, elektronların ikinci kafese (G2) doğru hızlanmasına neden olur. Bu ikinci ızgara, anoda (A) ulaşan elektronlara karşı etki eden U3 pin voltajı tarafından tutulur. Bu anotta toplanan elektronlar akım üretir.
sonuçlar
Yukarıdaki şemada gösterilen, tipik bir Frank Hertz eğrisinin neye benzediğinin bir örneğidir. Diyagram, ana bölümleri belirtmek için adlandırılmıştır. Eğri özellikleri nasıl hesaplanır? Atomun ayrı enerji seviyelerine sahip olduğunu varsayarsak, elektronların tüpteki gaz atomları ile sahip olabileceği iki tür çarpışma vardır:
Esnek Çarpışmalar – Bir elektron, herhangi bir enerji/hız kaybetmeden bir gaz atomuna geri döner.
Esnek Olmayan Çarpışmalar – Bir elektron bir gaz atomunu uyarır ve enerji kaybeder. Ayrı enerji seviyeleri nedeniyle, bu yalnızca kesin bir enerji değerinde olabilir. Buna uyarılma enerjisi denir ve atomik temel durum (mümkün olan en düşük enerji) ile daha yüksek bir enerji seviyesi arasındaki enerji farkına karşılık gelir.
grafik yorumlama
A – Akım gözlemlenmedi
Arttırma çabası, durdurma çabasının üstesinden gelmek için yeterince güçlü değil. Bu nedenle, hiçbir elektron anoda ulaşmaz ve hiçbir akım üretilmez.
b – akım 1’e yükselir.
Hızlanma voltajı elektronların durma voltajını aşmaya ve yeterli enerjiyi vermeye yeterlidir, ancak gaz atomlarını harekete geçirmeye yetmez. Hızlanma potansiyelinin artmasıyla elektronlar daha fazla kinetik enerjiye sahip olur. Bu, tüpü geçme süresini ve dolayısıyla akım artışını azaltır (I = Q/t).
C – ilk maksimum değerindeki akım.
Hızlanma voltajı artık elektronlara gaz atomlarını hareket ettirmeleri için yeterli enerjiyi vermek için yeterlidir. Esnek olmayan çarpışmalar başlayabilir. Esnek olmayan bir çarpışmadan sonra, elektron durma potansiyelinin üstesinden gelmek için yeterli enerjiye sahip olmayabilir ve bu nedenle akım azalmaya başlar.
D – akım maksimum 1’den düşer.
Kendi rastgele termal hareketlerine sahip gaz atomları ile elastik çarpışmalar nedeniyle tüm elektronlar aynı hızda hareket etmez. Bu nedenle, bazı elektronların uyarma enerjisine ulaşmak için diğerlerinden daha fazla hızlanması gerekecektir. Bu nedenle akım hızlı bir düşüş yerine kademeli olarak azalır.
E – minimum değerde akım 1.
Gaz atomlarını hareket ettiren çok sayıda çarpışma elde edilir. Bu nedenle, maksimum sayıda elektron anoda ulaşmaz ve minimum bir akım vardır.
F – akım tekrar ikinci bir maksimum değere yükselir.
Elastik olmayan bir çarpışmada enerji kaybolduktan sonra, durma potansiyelini atlayacak kadar elektronları hızlandırmaya yetecek kadar gelişmiş voltaj artar. Esnek olmayan çarpışmaların ortalama konumu tüpün solunda, filamanın yanında hareket eder. Akım, b’de açıklanan kinetik enerji argümanı nedeniyle yükselir.
G – saniyede maksimum değerinde akım.
İvme potansiyeli, elektronların tüp boyunca hareket ederken iki gaz atomunu hareket ettirmek için yeterli enerjiyi bırakmaları için artık yeterlidir. Elektron hızlanır, esnek olmayan çarpışmalara girer, tekrar hızlanır, diğer esnek olmayan çarpışmalara girer ve ardından akımın durarak düşüşü başlatma olasılığının üstesinden gelmek için yeterli enerjiye sahip olmaz.
H – akım ikinci maksimum değerden tekrar düşer.
D’de açıklanan etki nedeniyle akım kademeli olarak azalır.
ben – ikinci minimumda akım.
Gaz atomları ile iki esnek olmayan çarpışmaya sahip maksimum elektron sayısına ulaşıldı. Bu nedenle, maksimum elektron sayısı anoda ulaşmaz ve minimum akıma ulaşılır.
J – Maksimum ve minimum model, daha yüksek ve daha yüksek hızlanma çabaları için tekrarlanır.
Model daha sonra daha esnek olmayan çarpışmalar tüpün uzunluğuna geçtiğinde tekrar eder.
Görüldüğü gibi Frank-Hertz eğrilerinin alt sınırları eşit aralıklıdır (deneysel belirsizlikten kaçınılır). Bu minimum aralığı, gaz atomlarının uyarılma enerjisine eşittir (cıva için 4,9 eV’dir). Eşit uzaklıkta minimumun dikkate değer şekli, atomik enerji seviyelerinin ayrık olması gerektiğinin kanıtıdır.
kaynak:
https://owlcation.com/stem/The-Frank-Hertz-Experiment
https://www.britannica.com/science/Franck-Hertz-experiment
yazar: Meltem Yıldırım
Diğer gönderilerimize göz at
[wpcin-random-posts]