Frank-Herzov eksperiment
Frank – Hercovi Ogledi
Svojom pojavom Borova teorija je postala centar eksperimenalnog proveravanja osnova
kvantne fizike. Iste godine kada je Bor postavio osnovne principe kvatne teorije (1913) Frank
i Herc su uspeli eksperimentalno da potvrde postojanje kvanta energije a time i ispravnost
Borove teorije. Ovaj eksperiment predstavlja kraj kvatne hipoteze i početak verovanja o
njenoj ispravnosti odnosno i postojanju kvanta.
Suština eksperimenta se ogleda u sudarima elektrona i atoma žive. Oni su kao katodu
koristili užarenu Volframovu nit, anoda je bila žičana mreža, kroz koju su prolazili elektroni i
padali na ploču koja je povezana sa osetljivim galvanometrom.
Ako su sudari elektrona sa atomima žive neelastični oni svoju energiju predaju atomu žive.
Pošto se prema Plankovoj teoriji a shodno Borovoj tvrdnji energije predaje u strogo
odredjenim paketićima kvantima atomi prelaze iz jednog u drugo staciono stanje.
69
Princip i sama ideja eksperimenta je sledeća:
Elektroni se procesom termoelektronske emisije emitiju u prostor gde se nalazi razredjena
živina para (133Pa). Ploča P je pod odgovarajućim naponom tako da se elektroni ubrzavaju
prema njoj. Ispred ploče u obliku rešetke je anoda koja je sa malom potencijalnom razlikom
(neki deo volta) pozitivne u odnosu na ploču. Na anodi ostaju oni elektroni koji su izgubili
svoju energiju u neelastičnim sudarima sa atomima žive. Tako da µA mikroampermetar na
ploči meri struju elektrona koji su prošli anodu (rešetku) odnosno onih elektrona koji se nisu
sudarili neelastično.
70
Merenjem struje mogla se sa sigurnošću konstantovati njena promena u funkciji napona na
katodi. Dijagram struje u funkciji napona ima sledeći oblik:
Na osnovu dobijenog grafika možemo videti da se maksimalne struje, a sa
naglim opadanjem dobijaju posle svakih 4,9V.
Time je dokazano da elektroni predaju energiju u kvantima od 4,88eV ≈ 4,9eV
Kada je napon manji od 4,9V energije ubrzanih elektrona je manja od 4,9eV i tada
dolazi do elastičnog sudara sa atomima žive, nema predaje energije od strane elektrona
atome žive i svi elektroni prolaze kroz anodu (rešetku) koja ih nemože ,, uhvatiti ,, jer je njen
napon vrlo mali u odnosu na ploču (P).
Elektroni imaju dovoljanu kinetičku energiju da prodju anodu i predju na ploču usled čega
µA registruje porast struje. Kada napon dostigne vrednost od 4,9V kinetička energija
elektrona je dovoljna da u sudarima sa atomima žive dodje do neelastičnog sudara odnosno
do predaje energije atoma žive jer ih anoda (rešetka) ,, hvata ,, i nedolaze do ploče usled čega
struja naglo opada.
Povećanjem napona raste i kinetička energija elektrona koji prolaze rešetku (A) i
struja opet raste jer su sudari e i atoma žive ponovo elastični : Kada napon dostigne vrednost
2x4.9V = 9,8V elektroni imaju energiju dovoljnu da izvrše neelastične sudare i da izgube ili
predaju atome žive 2 kvanta energije. Ovo dovodi do opadanja struje na ploči jer anoda –
rešetka ponovo ,, hvata ,, elektrone.
Kad atom primi energiju od elektrona ona se posle izvesnog vremena emituje u obliku
zračenja. Ako sa E1 – označimo energiju osnovnog stanja atoma žive, a sa E2 energiju posle
neelastičnog sudara sa elektronom dobićemo
E2=E1+4,9eV
Prilikom emitovanja kvanta energije atom se vraća u prvobitno osnovno
stanje. Zbog toga je prema Borovoj teoriji:
E2-E1= h*f
h*f = 4,9eV
1eV = 1.601 * 10 -19J
h*f = 7,845 * 10 -19J
71
Odavde se može izračunati talasna dužina emitovane monohromatske
svetlosti. Ako se rezultat poklopi sa eksperimentom onda je teorija dokazana. Talasna dužina
svetlosti koju emituje živina para je λ = 253,7 * 10 -9 - (ultraljubičaste linije)
Eksperiment: h*f =
= 4,88eV = 7,81288 * 10 -19J
λ = 253,94 * 10 -9 m
72
Na osnovu ovog računa vidimo da primena Borove teorije dovodi do rezultata u granicama
odstupanja i tačnosti merenja i odgovrajućih konstanti.
Zadatak Vežbe:
Osnovni zadatak i cilj ove vežbe je snimanje krive zavisnosti struje od napona
Ip = f(Ua) i odredjivanje tačnog rastojanjaizmedju max na krivi. Sve dok je prekidač
S otvoren napon na anodi je oko 0,5V. Zatvaranjem S napon se povećava podešavanje
napajanja od 0 do 12 V previše je veliko za napon Up pa se on smanjuje deliocem napona.
Kada je napon U = 12 V onda je Up ≈ 3 V. Napon 0,5V treba podesiti za početno merenje.
Prvi minimum je lakše uočiti pri manjim temperaturama ali se na višim dobije veći
broj minimum zato što raste I napon u cevi. Pošto je temperatura u rerni tokom merenja
promenjliva možemo na istom naponu dobiti malo različite rezultate ali pozicija maximuma
se nemenja.
73
Download

str 11 Frank-Herzov eksperiment