Thí nghiệm Frank và Hertz

9

A. Levashov

Thí nghiệm
Franka và Germa

Đầu thế kỷ 20 chiếm một vị trí đặc biệt trong lịch sử vật lý. Đây là thời kỳ thay đổi những ý tưởng cũ đã được thiết lập về cấu trúc vật chất của thế giới. Trong một số trường hợp, sự chuyển đổi này đòi hỏi phải từ bỏ các định luật cơ học cổ điển và điện động lực học cổ điển.

Năm 1900, Planck tạo ra lý thuyết lượng tử về bức xạ. Năm 1905, Einstein đã xây dựng nguyên lý của thuyết tương đối đặc biệt. Trong cùng thời gian đó, khoa học đã tiến gần đến câu hỏi về bản chất vật lý và cấu trúc bên trong của nguyên tử. Năm 1911, kết quả thí nghiệm của Rezerforad được công bố, trên cơ sở đó tạo ra mô hình hạt nhân của các nguyên tử, mâu thuẫn với vật lý cổ điển. Năm 1913, Bohr xây dựng các nguyên lý lượng tử giải thích mô hình nguyên tử Rutherford và bản chất của quang phổ nguyên tử, nhưng mâu thuẫn với cả cơ học cổ điển và điện động lực học cổ điển.

Mỗi khám phá này đều chỉ ra những con đường mới để hiểu biết về thế giới vật chất. Nhưng sự phát triển của những ý tưởng mới luôn dựa trên nền tảng thực nghiệm vững chắc. Đó là lý do tại sao việc thử nghiệm các giả thuyết mới có vai trò cực kỳ quan trọng trong khoa học.

Các thí nghiệm của các nhà vật lý người Đức James Frank và Gustav Herm về cơ bản là sự xác nhận thực nghiệm đầu tiên cho những phát hiện của Bohr.

Các thí nghiệm lịch sử là sự tiếp nối công trình của nhà vật lý người Đức Lenard, người đã cố gắng xác định bằng thực nghiệm năng lượng ion hóa của các nguyên tử từ rất lâu trước khi xuất hiện

10

Những phát triển mới trong mô hình Rutherford. Năm 1902, Lenard đã tổ chức một thí nghiệm thú vị. Phần chính của quá trình lắp đặt nó là một ống thủy tinh với ba điện cực được điêu khắc - nguyên mẫu của triode hiện đại (Hình 1). Ống chứa đầy khí, năng lượng phun đã thay đổi. Áp suất khí trong ống khoảng 0,01 mmHg. Nghệ thuật. Toàn bộ mạch điện được bố trí như Hình 2. Giữa cực âm K và lưới C, điện áp $U_1$ được cung cấp từ pin $^1$, có thể thay đổi bằng chiết áp $R_1$. Giữa lưới điện và anom A, điện áp $U_2$ được cung cấp từ ắc quy $^2$. Điện áp này có thể được điều chỉnh bằng chiết áp $R_2$.

Ý tưởng của thí nghiệm như sau. Các điện cực bay ra khỏi cực âm đi vào điện trường trong không gian lưới cực âm và được trường này tăng tốc, di chuyển về phía lưới điện. (Điện áp $U_1$ được gọi là tăng tốc.) Sau khi đi qua lưới, các điện cực đi vào không gian cực dương của lưới. Ở đây điện áp điện tử $U_1$ được gọi là tăng tốc. Khi điều khiển trường gia tốc, các chuyển động này không thay đổi (chỉ hướng của vận tốc điện cực thay đổi và giá trị abscylton của vận tốc không đổi, vì khối lượng nguyên tử lớn hơn khối lượng điện cực hàng nghìn lần). Vì vậy, các điện cực, được gia tốc bởi điện trường, di chuyển theo hình vòng cung về phía lưới điện. Gần lưới điện, năng lượng điện cực đạt giá trị cực đại xác định từ điều kiện

$$K = \frac{mv^2}{2} = eU_1$$

(m là khối lượng của điện cực, e là điện tích của điện cực).

Khi điện áp gia tốc $U_1$ tăng, năng lượng của điện cực tăng. Lenard tin rằng khi năng lượng cực đại của điện cực chạm vào lưới bằng hoặc vượt quá năng lượng chèn của một nguyên tử khí, thì sự va chạm của điện cực với nguyên tử trở nên không đàn hồi. Trong trường hợp này, electron tách gần như toàn bộ năng lượng của nó ra khỏi nguyên tử và năng lượng này đi vào các quá trình nguyên tử bên trong—nó được nguyên tử hóa. Các hạt tích điện thứ cấp xuất hiện - điện cực và ion dương. Tất cả điện tử

11

ngai vàng (cả thứ cấp và chính - những thứ bay ra khỏi catad) cuối cùng đi vào mục tiêu lưới. Và các ion dương khi ở trong không gian aode lưới sẽ di chuyển dưới tác động của điện trường, tăng tốc về phía aode. Cuối cùng, xuất hiện dòng điện trong mạch aode do các hạt mang điện thứ cấp gây ra.

Vì vậy, sự xuất hiện của dòng điện trong mạch aodine, như Lenard tin tưởng, sẽ cho thấy sự bắt đầu cảm ứng. Năng lượng cảm ứng bằng $eU_n$, trong đó $U_n$ là giá trị $U_1$ tại đó xuất hiện dòng điện aode.

Mặc dù thí nghiệm thực sự đã quan sát thấy sự xuất hiện của dòng điện anode ở một số giá trị nhất định của thế năng tăng tốc, Lenard vẫn không thể thu được kết quả thí nghiệm đáng tin cậy do thiết lập của ông không hoàn hảo về mặt kỹ thuật. Điều quan trọng cần lưu ý là Lenard xuất phát từ sự hiểu biết không chính xác về sự tương tác của electron với nguyên tử, vì ông chưa thể biết về sự tồn tại của các mức năng lượng rời rạc trong nguyên tử. Vì lý do này, thí nghiệm của Lenard không để lại dấu ấn đáng chú ý trong vật lý, mặc dù nó chắc chắn rất thú vị từ góc độ lịch sử. Kỹ thuật cải tiến của Lenarda sau đó đã được sử dụng trong các thí nghiệm cổ điển của Frank và Hermtz.

Công việc chung giữa Frank và Đức vào năm 1911 tại Đại học Berlin. Trong thời gian này, họ nghiên cứu định luật dòng điện trong chất khí. Đương nhiên, năng lượng bên ngoài của cảm ứng nguyên tử được họ quan tâm. Để xác định nó, trước tiên họ phải hoàn thiện phương pháp Lenarda và sau đó thực hiện các thay đổi đối với nó.

Trước hết, thiết kế của đèn đã được thay đổi. Khoảng cách lưới cực âm được làm lớn hơn nhiều so với khoảng cách lưới cực âm (Hình 3).

Áp suất của khí (hoặc hơi nước) dẫn ống được tăng lên 1 mmHg. Nghệ thuật. Theo đó, các electron thoát ra khỏi catath đã trải qua các va chạm lặp đi lặp lại với các nguyên tử khí (hoặc hơi) trong không gian lưới cathode. Frank và Hermtsy đã giảm điện áp phanh và giữ nó không đổi (nó được chọn trong khoảng 0,5-2 V). Dòng điện dương xuất hiện trong mạch aode ngay khi điện áp tăng tốc $U_1$ lớn hơn điện áp hãm $U_2$.

Khi bắt đầu thí nghiệm, Frank và Hermtz, giống như Lenard, đã đề cập đến năng lượng cảm ứng. Kết quả của một trong các thí nghiệm với đèn chứa thông số thủy ngân được thể hiện trên Hình 4. Đường cong màu đỏ trên biểu đồ này cho thấy bản chất của sự thay đổi dòng điện trong mạch aode khi điện áp tăng tốc thay đổi (giá trị dòng điện được biểu thị bằng đơn vị). Trước hết, người ta chú ý đến thực tế là ở những khoảng điện áp bằng nhau $U_1$ dòng điện giảm mạnh. Giá trị dòng điện tối đa tương ứng với điện áp 4,9 V, 2·4,9 V và 3·4,9 V.

12

Frank và Hertz diễn giải kết quả thu được như sau. Khi điện áp tăng tốc tăng, dòng điện trong mạch aode tăng (kể từ thời điểm $U_1$ lớn hơn $U_2$). Khi $U_1$ trở nên bằng (hoặc lớn hơn một chút) 4,9 V và electron “thu” năng lượng 4,9 EV trên đường đến lưới, sự va chạm của electron với một nguyên tử tại lưới sẽ không đàn hồi - nguyên tử bị non hóa và electron mất năng lượng sẽ bị lưới bắt giữ. Kết quả là dòng điện trong mạch aode giảm mạnh.

Khi điện áp gia tốc tăng thêm, điều sau đây sẽ xảy ra: electron có thể thu được năng lượng 4,9 EV mà không chạm tới lưới điện, do đó vùng va chạm không đàn hồi của nó với nguyên tử “đến gần” cực âm. Trong trường hợp này, electron đã mất năng lượng trong quá trình va chạm, tiếp tục chuyển động có gia tốc về phía lưới điện dưới tác động của điện trường. Nếu dọc theo đường đi này, electron được điện trường gia tốc đến mức năng lượng vượt quá giá trị $eU_2$ thì nó sẽ vượt qua tác dụng hãm của điện áp $U_2$ và đi vào AOD. Trong biểu đồ, quá trình này tương ứng với vùng của dòng aode sau lần suy giảm đầu tiên. Khi giá trị $U_1$ trở thành mức mà electron bị mất năng lượng (4,9 EV) trong lần va chạm không đàn hồi đầu tiên, cố gắng tiếp cận lưới có giá trị $eU_2$, thì va chạm của nó với nguyên tử sẽ lại va chạm không đàn hồi và nó không còn kết thúc ở nguyên tử nữa mà bị lưới bắt giữ. Đây là sự suy giảm của đường cong trong Hình 4 sau mức tối đa thứ hai. Cực đại thứ ba chỉ ra rằng trên đường đi giữa cực âm và lưới điện, các electron trải qua va chạm không đàn hồi với nguyên tử ba lần.

Dựa trên dữ liệu thu được, Frank và Hertz kết luận rằng năng lượng ion hóa của thủy ngân bằng 4,9 EV - năng lượng mà một electron thu được giữa hai lần va chạm không đàn hồi liên tiếp với các nguyên tử. Họ thu được một đường cong tương tự trong các thí nghiệm với một chiếc đèn chứa đầy gel và phát hiện ra rằng năng lượng ion hóa của thủy ngân là 19,8 EV.

Tuy nhiên, đã được tăng lên ở chỗ chúng thực sự làm thay đổi năng lượng ion hóa, Frank và Hertz quyết định thực hiện một thí nghiệm khác. Họ đã gặp phải tình huống sau lời giải này. Người ta biết rằng hơi thủy ngân hấp thụ mạnh bức xạ có bước sóng $\lambda = 2536$ Å. Theo lý thuyết của Planck, bức xạ này tương ứng với năng lượng

$$E = hv = \frac{hc}{\lambda} (\text{Дж}) =$$

$$= 1,6 \cdot 10^{19} \frac{hc}{\lambda} (\text{ЭВ}) \approx 4,84 \text{ ЭВ}.$$

Giá trị này rất trùng khớp với giá trị năng lượng ion hóa thủy ngân mà Frank và Hertz thu được - 4,9 EV. Đây có phải là sự trùng hợp ngẫu nhiên? Đây chính xác là điều lời giải cần kiểm tra: để xem liệu ở điện áp $U_1 = 4,9$ V, bức xạ có bước sóng 2536 Å có xuất hiện hay không.

Bước sóng này nằm trong vùng siêu diệp thể. Vì vậy, Frank và Hertz đã chế tạo một ống từ thạch anh, trong suốt đến ánh sáng siêu lọc (ống có bóng thủy tinh mà họ sử dụng trước đây không phù hợp - thủy tinh không truyền tia cực tím). Thiết kế của ống này đơn giản hơn nhiều so với ống trước. Nó chỉ chứa một dây tóc nakada (cực âm) và một lưới điện. Họ đổ đầy hơi thủy ngân vào ống. Một thiết bị quang phổ siêu lọc, nhạy trong vùng siêu lọc của quang phổ), nhắm vào ống, được cho là sẽ ghi lại bức xạ của hơi thủy ngân nếu bức xạ này xảy ra.

Kết quả mà Frank và Hertz thu được như sau. Miễn là hướng $U$ giữa danh mục và lưới điện nhỏ hơn 4,9 V, dòng điện trong mạch lưới tăng khi tăng $U$ và không có bức xạ. Khi hướng này bằng nhau ở khoảng $4,9$ V, dòng điện trong mạch giảm mạnh và phát hiện quang phổ có bước sóng … 2536 Å!

Dựa trên tất cả các kết quả có sẵn, Frank và Hertz đã đi đến kết luận sau: phần lớn