فاصله بین قله ها یا دره ها

در سال 1913 ، نیلز بور مدل خود را از اتم هیدروژن معرفی کرد. یکی از پیش بینی ها این بود که الکترون ها فقط سطح انرژی خاصی را اشغال می کردند. این مطابق با طیف مشاهده شده بود ، اما فیزیکدانان مشتاق بودند که آزمایش دیگری را پیدا کنند که این نتیجه را نیز نشان دهد.

در سال 1914 جیمز فرانک و گوستاو هرتز (برادرزاده هاینریش) آزمایشی را روی یک لوله خلاء با مقدار کمی جیوه محصور انجام دادند. به منظور تبخیر جیوه ، این لوله در یک فر گرم شد و سپس یک سری ولتاژ به لوله اعمال شد. از ولتاژ کوچکی برای گرم کردن یک رشته برای استفاده به عنوان منبع الکترون استفاده شد. برای ایجاد میدان های الکتریکی در داخل لوله از سه ولتاژ دیگر استفاده شد.

قسمت اول یک میدان کوچک است ، از آن به منظور جارو کردن الکترون ها از رشته استفاده می شود. مشاهده می شود که وقتی رشته ها الکترون ها را بیرون می کشند ، آنها کمی مثبت می شوند و منطقه اطراف رشته به دلیل ابر الکترون ها کمی منفی می شود. اگر یک میدان کوچک برای بیرون کشیدن الکترون ها از رشته در جای خود قرار نگیرد ، ترسیم الکترون های بیشتری سخت می شود. زمینه دوم یک میدان شتاب دهنده است ، این همان چیزی است که به الکترون ها بخش عمده ای از انرژی جنبشی آنها را می دهد. این معمولاً ولتاژ شبکه نامیده می شود زیرا توسط یک شبکه ایجاد می شود که الکترون ها می توانند در آن نفوذ کنند. هنگامی که الکترون ها از طریق شبکه عبور می کنند ، یک میدان معکوس وجود دارد که برای عقب نشینی الکترون ها از پیشخوان عمل می کند. اگر فقط خلاء در لوله وجود داشته باشد ، ولتاژ شبکه الکترون ها را به پیشخوان تسریع می کند و اگر ولتاژ عقب مانده کمتر از ولتاژ شبکه باشد ، یک جریان شناسایی می شود.

نمودار لوله Franck-Hertz

در آزمایش Franck-Hertz ، بخار جیوه کم فشار بر جریان شناسایی شده تأثیر می گذارد. در ولتاژهای شبکه کم ، الکترون ها انرژی جنبشی را به دست می آورند. آنها با اتم های جیوه برخورد می کنند ، اما اینها برخورد الاستیک هستند و از آنجا که الکترون ها چنین جرم کمتری نسبت به جیوه دارند ، الکترون ها بیشتر انرژی جنبشی خود را حفظ می کنند. با افزایش ولتاژ ، جریان نیز چنین می شود. با این حال ، هنگامی که الکترونها انرژی جنبشی برابر با انرژی تحریک جیوه را بدست آورند ، می توانند برخورد غیرقانونی داشته باشند - انرژی جنبشی الکترونی که اتم جیوه را هیجان زده می کند. اگر یک الکترون با انرژی تحریک دقیقاً برخورد غیرقانونی داشته باشد ، سرعت نهایی صفر خواهد بود. به همین دلیل این آزمایش همچنین دارای یک میدان عقب مانده است. فقط الکترون هایی با انرژی جنبشی که می توانند بر میدان عقب ماندگی غلبه کنند ، در جریان شمارش می شوند. از آنجا که ولتاژ شبکه به ولتاژ تحریک افزایش می یابد ، جریان کاهش می یابد زیرا بسیاری از الکترونهای رشته انرژی جنبشی خود را در برخورد غیرقانونی از دست داده اند و نمی توانند بر میدان عقب ماندگی غلبه کنند. اگر جریان مشاهده شده در برابر ولتاژ ترسیم شود ، یک سری قله ها و دره ها وجود خواهد داشت. فاصله اوج به اوج (یا دره به دره) با انرژی تحریک بخار مطابقت دارد (دره های متعدد به دلیل برخورد چندگانه غیرقانونی است).

اندازه گیری های فعلی در آزمایش Franck-Hertz

دانش آموزانی که می خواهند پیش نمایش این آزمایش را دریافت کنند می توانند از یک شبیه سازی آنلاین Franck-Hertz بازدید کنند.

ما آزمایش امروز را با استفاده از سه عنصر مختلف ، آرگون ، نئون و جیوه انجام خواهیم داد. هر عنصر دستگاه خاص خود را دارد. هر گروه باید برای هر عنصر داده بگیرد. افرادی که موضوع امروز را ارائه می دهند وظیفه تنظیم لوله عطارد را بر عهده دارند.

داده های خود را برای هر یک از عناصر متناسب کنید. یکی از روش های بررسی نتایج ، بازدید از سایت NIST که قبلاً در این کلاس استفاده کرده ایم. توجه داشته باشید که بسیاری از افراد تفاوت بین هر اوج (یا دره) را پیدا می کنند و سپس این تعداد را به طور متوسط می یابند. چرا این یک ایده بد است؟درعوض ، دانش آموزان باید تعداد اوج را روی محور x و ولتاژ روی محور y ترسیم کنند و طبق معمول شیب پیدا کنند. برای دره ها تکرار کنید.

آرگون مجموعه آزمایشی آرگون در یک قطعه تجهیزات موجود است:

صفحه جلوی آزمایش آرگون

در ردیف بالای شماره گیری ها و سوئیچ ها ، سوئیچ دستی/خودکار را روی کتابچه راهنمای کاربر ، شماره گیری ولتاژ رشته را روی 3. 5 ولت و ضرب فعلی به 1 0-9 تنظیم کنید. ردیف دوم سوئیچ ها و شماره گیری ها ولتاژهای مختلف را کنترل می کند. با سوئیچ قرار گرفته در سمت چپ شروع کنید. این ولتاژ اول (برای جابجایی الکترون ها) باید تقریباً 1. 5 ولت باشد. موقعیت میانی برای ولتاژ عقب ماندگی است و باید روی 7. 5 ولت تنظیم شود. سپس سوئیچ را به سمت راست حرکت دهید تا ولتاژ شبکه (شتاب دهنده) را کنترل کنید. این ولتاژ را با افزایش دو ولت افزایش داده و جریان را ضبط کنید. شما باید در طول این آزمایش ضرب فعلی را تغییر دهید و این ایده خوبی است که با افزایش یک ولت در نزدیکی قله ها و دره ها اندازه گیری کنید. توجه داشته باشید که سیستم بعد از هر تغییر در ولتاژ ، مدتی طول می کشد ، بنابراین در اندازه گیری ها خیلی عجول نباشید. جریان را به عنوان تابعی از ولتاژ ترسیم کرده و انرژی تحریک آرگون را تعیین کنید. توجه داشته باشید که جریان توسط ضرب شده روی دستگیره داده می شود ، برچسب MA را روی متر نادیده بگیرید.

اگر جریان پس از حدود 60 ولت به سرعت افزایش یابد ، این ممکن است به لوله آسیب برساند. اگر این اتفاق را می بینید ، سعی نکنید داده های گذشته را از نقطه افزایش سریع جریان جمع کنید. هنگامی که داده ها را انجام دادید ، به یاد داشته باشید که تجهیزات خود را خاموش کنید. از آنجا که ما با لوله های خلاء سر و کار داریم ، قبل از خاموش کردن ولتاژ را به آرامی خاموش کنید.

نئون عنصر دوم مورد بررسی نئون است. در این تنظیم لوله در خارج از جعبه الکترونیک قرار دارد زیرا انتقال اتمی برای نئون در طیف قابل مشاهده صورت می گیرد.

سیم کشی نسبتاً ساده است. پنج اتصال موز از جعبه ابزار به لوله وجود دارد که همه آنها دارای کد هستند. علاوه بر این ، یک کابل BNC از بالای لوله به یک کانکتور در پانل دست چپ بالا می رود. خروجی موجود در پانل سمت راست سمت راست است و باید به یک اسیلوسکوپ وصل شود. از زمین و X استفاده کنید و آنها را در کانال یک و زمین و y اندازه گیری کنید و آنها را در کانال دو اندازه گیری کنید. برخی از نسخه ها فقط چهار اتصال موز با موز دارند ، این لوله ها هنوز هم عملکرد خوبی دارند. این

تجهیزات نئون فرانک-هرتز

اسیلوسکوپ باید در حالت XY قرار گیرد. به طور معمول یک اسیلوسکوپ ولتاژ را در محور Y نشان می دهد در حالی که زمان آن را در محور x جارو می کند. در حالت XY اسیلوسکوپ ولتاژ اندازه گیری شده در کانال یک را در محور x قرار می دهد و ولتاژ اندازه گیری شده در کانال دو را در محور Y قرار می دهد. برای قرار دادن اسیلوسکوپ خود در حالت XY ، دکمه Display و سپس دکمه Format Sidemenu را فشار دهید تا XY بخواند.

در پنل ابزار شما پنج ورودی کنترل شده توسط کاربر وجود دارد. یکی از آنها سوئیچ است. در شروع آزمایش باید این کار را به RAMP/60Hz تغییر دهید. چهار شماره گیری وجود دارد. تعصب معکوس باید تقریباً 4 ولت تنظیم شود و تنظیم نشود. این ولتاژ عقب مانده است. ولتاژ رشته باید روی 8 ولت تنظیم شود. به داخل لوله نگاه کنید ، اگر نمی توانید رشته ای را ببینید که یک پرتقال کسل کننده را می درخشد ، ولتاژ خیلی کم است. اگر روشن باشد ، احتمالاً خیلی زیاد است. شما به احتمال زیاد مجبور خواهید بود تنظیم ولتاژ رشته خود را در طول آزمایش تنظیم کنید. پس از گرم شدن رشته ، ولتاژ شتاب را به 70 ولت تنظیم کنید. آخرین دستگیره ، دامنه دارای برچسب ، در واقع سود را روی یک تقویت کننده تنظیم می کند. جریان ایجاد شده توسط رشته به حدی کوچک است که برای مشاهده در اسیلوسکوپ باید تقویت شود. دستگیره های ولتاژ و دامنه برای دیدن شکل موج مناسب در اسیلوسکوپ شما باید با دقت متعادل شوند.

خروجی روی صفحه اسیلوسکوپ (توجه داشته باشید که آخرین قله تقویت کننده را اشباع کرده است)

پس از داشتن شکل موج مناسب ، می خواهید داده های خود را در USB ذخیره کنید (به یاد داشته باشید که یک دستگاه حافظه USB را کوچکتر از 1G به آزمایشگاه بیاورید ، درست است؟). به طور معمول برای انجام این کار به دکمه چاپ اشاره می کنید (ابتدا ممکن است تنظیمات را با استفاده از دکمه ذخیره/فراخوان بررسی کنید - مطمئن شوید که اسیلوسکوپ شما روی "ذخیره همه" تنظیم شده است). با این حال ، ذخیره داده گزینه ای است که در حالت نمایش XY در دسترس نیست. ما می توانیم با قرار دادن اسیلوسکوپ در حالت نمایشگر YT و سپس صرفه جویی در این مشکل غلبه کنیم. توجه داشته باشید که برای ذخیره هر دو ، باید دو شکل موج (کانال یک و دو) را روی صفحه خود مشاهده کنید. سپس می توانید Excel را بگیرید ، دو پرونده داده را از طریق برش و چسباندن ترکیب کنید و سپس نتایج خود را نمودار کنید.

پس از ذخیره اطلاعات خود ، ولتاژ شتاب دهنده را به صفر برگردانید و سوئیچ را به کتابچه راهنمای کاربر تبدیل کنید. اعلام کنید که می خواهید چراغ های اتاق را خاموش کنید و سپس این کار را انجام دهید. به آرامی ولتاژ شتاب دهنده را روشن کنید. همانطور که حداقل در جریان جریان اول را طی می کنید ، یک حباب نارنجی به پایین لوله حرکت می کند. این به این دلیل است که این انتقال دارای فاصله انرژی با طول موج در منطقه نوری است. هنگامی که الکترون ها رشته را ترک می کنند ، انرژی را از ولتاژ شتاب می گیرند تا اینکه به سرعت در جایی که انرژی جنبشی کافی برای تعامل با اتم های نئونی دارند ، برسند. با افزایش ولتاژ شتاب دهنده ، این انرژی جنبشی در فاصله کمتری به دست می آید ، به همین دلیل حباب به سمت لوله حرکت می کند (به سمت رشته). پس از رسیدن به حداقل دوم ، باید دو حباب را ببینید. الکترون ها انرژی Kineitc را به اندازه کافی برای تعامل با نئون انتخاب می کنند و پس از سفر دورتر در امتداد لوله ، دوباره انرژی کافی را انتخاب می کنند تا تعامل دوم داشته باشند. این یکی از معدود تأیید بصری است که شما از نظریه اتمی دریافت کرده اید ، حتماً آن را ببینید.

سه هیجان اول نئون (هیجان دوم و سوم برای تشخیص در این عکس سخت است)

عطارد این نسخه "مدرسه قدیمی" آزمایش است. توجه داشته باشید که فقط در صورت تبخیر جیوه کار می کند و از این رو شامل یک اجاق گاز است. هشدار - فر بسیار داغ می شود! دست نزن! افراد مسئول ارائه امروز ، مدار را برای بقیه دانش آموزان سیم می کنند. جعبه کنترل مورد استفاده برای اندازه گیری نئون نیز برای جیوه استفاده می شود. اطمینان حاصل کنید که تنظیمات نهایی خود را درست قبل از جمع آوری داده های خود بنویسید.

"این ممکن است شما را علاقه مند کنید بدانید که وقتی آزمایشاتی را انجام دادیم که نظریه بور را نمی دانستیم. ما در مورد آن خوانده بودیم و شنیده بودیم. ما آن را نخوانده بودیم زیرا ما از خواندن ادبیات به اندازه کافی سهل انگار بودیم - و شما می دانیدچگونه این اتفاق می افتد. از طرف دیگر ، فرد فکر می کند که افراد دیگر در مورد آن به ما می گفتند. به عنوان مثال ، ما در آن زمان در برلین یک محاوره داشتیم که در آن همه مقالات مهم مورد بحث قرار گرفت. هیچ کس در مورد نظریه بور بحث نکرد. چرا نهدلایل این است که پنجاه سال پیش ، کسی آنقدر متقاعد شده بود که هیچ کس با وضعیت دانش ما در آن زمان ، انتشار خط طیفی را درک نمی کند ، به طوری که اگر کسی مقاله ای در مورد آن منتشر کند ، یکی فرض می کند ، "احتمالاً چنین استدرست نیست. "بنابراین ما آن را نمی دانستیم. اما ما این آزمایش را انجام دادیم (و نتیجه ای را که تئوری بور را تأیید کرد) بدست آوردیم زیرا امیدوار بودیم که اگر فهمیدیم که مرز بین تأثیر الاستیک و غیرقانونی در کجا نهفته است. فقط یک خط ممکن است ظاهر شود. اما ما نمی دانستیم که آیا Wمی توانیم چنین باشد ، و ما نمی دانستیم که آیا اصلاً انتشار یک اتم از چنان نوعی است که یک خط به تنهایی قابل انتشار است و می توان از تمام انرژی برای این منظور استفاده کرد. این آزمایش آن را به ما داد و ما از آن شگفت زده شدیم. اما ما بعد از انتشار مقاله بور ، بعد از انتشار ، تعجب نکردیم. "

جیمز فرانک در "در گذشته اخیر فیزیک" ، توسط جرالد هولتون ، مجله فیزیک آمریکایی ، جلد. 29 ، ص. 805 (1961).