हेर्त्ज़ के परिक्षण

Hertz's experiment

फ़्रैंक-हर्ट्ज़ प्रयोग परमाणुओं की क्वांटम प्रकृति को स्पष्ट रूप से दिखाने वाला पहला विद्युत माप था, इसे 24 अप्रैल, 1914 को जेम्स फ्रैंक और गुस्ताव हर्ट्ज़ द्वारा एक पेपर में जर्मन फिजिकल सोसाइटी को प्रस्तुत किया गया था। फ़्रैंक और हर्ट्ज़ ने ऊर्जावान इलेक्ट्रॉनों का अध्ययन करने के लिए एक वैक्यूम ट्यूब डिज़ाइन किया था जो पारा परमाणुओं के पतले वाष्प के माध्यम से उड़ता था।

प्रारूप

फ़्रैंक-हर्ट्ज़ प्रयोग ने पता लगाया कि, जब एक इलेक्ट्रॉन पारा परमाणु से टकराता है, तो वह उड़ने से पहले अपनी गतिज ऊर्जा की केवल एक विशिष्ट मात्रा (4.9 इलेक्ट्रॉन वोल्ट) ही खो सकता है।यह ऊर्जा हानि इलेक्ट्रॉन की गति को लगभग 1.3 मिलियन मीटर प्रति सेकंड से घटाकर शून्य करने के अनुरूप है।एक तेज़ इलेक्ट्रॉन टकराव के बाद पूरी तरह से धीमा नहीं होता है, लेकिन अपनी गतिज ऊर्जा की ठीक उसी मात्रा को खो देता है। धीमे इलेक्ट्रॉन किसी भी महत्वपूर्ण गति या गतिज ऊर्जा को खोए बिना केवल पारा परमाणुओं से उछलते हैं।

प्रयोग

शिक्षण प्रयोगशालाओं में फ़्रैंक-हर्ट्ज़ प्रयोग के लिए उपयोग की जाने वाली ग्लास वैक्यूम ट्यूब (2.7 सेमी व्यास) की तस्वीर। ट्यूब का निर्माण 3बी साइंटिफिक (भाग संख्या यू8482170) द्वारा किया गया था। अंदर पारे की एक छोटी सी बूंद है; पारे का वाष्प दबाव ट्यूब के तापमान से नियंत्रित होता है। C लेबल वाला चमकता नारंगी बिंदु गर्म कैथोड है, जो इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करता है। G लेबल वाली ग्रिड एक धातु स्क्रीन है जो अधिकांश इलेक्ट्रॉनों को गुजरने देती है। ए लेबल वाली धातु डिस्क एनोड है जो इलेक्ट्रॉनों को एकत्र करती है।

हर्ट्ज़ के प्रयोग में विद्युत चुम्बकीय तरंगों को उत्पन्न करना और उनका पता लगाना शामिल था। उन्होंने दो भागों के साथ एक सरल सेटअप का उपयोग करके ऐसा किया: एक ट्रांसमीटर और एक रिसीवर।

ट्रांसमीटर

हर्ट्ज़ ने स्पार्क गैप (दो धातु गेंदों के बीच एक छोटा सा गैप) के साथ एक सर्किट बनाया। जब उन्होंने गैप पर हाई वोल्टेज लगाया तो इससे एक चिंगारी पैदा हुई। इस चिंगारी के कारण इलेक्ट्रॉनों की अचानक वृद्धि हुई, जो बहुत तेजी से तेज और धीमी हो गई। आवेशों के इस तीव्र त्वरण और मंदी से विद्युत चुम्बकीय तरंगें उत्पन्न हुईं जो अंतरिक्ष में फैल गईं।

रिसीवर

इन तरंगों का पता लगाने के लिए, हर्ट्ज़ ने पास में समान स्पार्क गैप के साथ एक और सर्किट लगाया। यह सर्किट एक रिसीवर के रूप में कार्य करता था। जब ट्रांसमीटर से विद्युत चुम्बकीय तरंगें रिसीवर तक पहुंचीं, तो उन्होंने रिसीवर के सर्किट में छोटी विद्युत धाराएं प्रेरित कीं, जिससे इसके स्पार्क गैप में चिंगारी पैदा हुई।

गणितीय समीकरण

हर्ट्ज़ का प्रयोग जटिल समीकरणों का उपयोग करने के बजाय विद्युत चुम्बकीय तरंगों के अस्तित्व को प्रदर्शित करने पर अधिक केंद्रित था। हालाँकि, प्रयोग ने मैक्सवेल के समीकरणों की पुष्टि करने में सुविधा की, जो यह दर्शाता है कि विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र कैसे परस्पर क्रिया करते हैं और तरंगों के रूप में फैलते हैं।

प्राथमिक निष्कर्ष

ये प्रयोगात्मक परिणाम परमाणुओं के लिए बोह्र मॉडल के अनुरूप सिद्ध हुए जो पिछले वर्ष नील्स बोह्र द्वारा प्रस्तावित किया गया था। बोह्र मॉडल क्वांटम यांत्रिकी और परमाणुओं के इलेक्ट्रॉन शेल मॉडल का अग्रदूत था। इसकी मुख्य विशेषता यह थी कि परमाणु के अंदर एक इलेक्ट्रॉन परमाणु के "क्वांटम ऊर्जा स्तर" में से एक पर कब्जा कर लेता है। टकराव से पहले, पारा परमाणु के अंदर एक इलेक्ट्रॉन अपने निम्नतम उपलब्ध ऊर्जा स्तर पर रहता है। टक्कर के बाद, अंदर का इलेक्ट्रॉन 4.9 इलेक्ट्रॉन वोल्ट ($eV$) अधिक ऊर्जा के साथ उच्च ऊर्जा स्तर पर रहता है। इसका तात्पर्य यह है कि इलेक्ट्रॉन पारा परमाणु से अधिक शिथिल रूप से बंधा हुआ है। बोह्र के क्वांटम मॉडल में कोई मध्यवर्ती स्तर या संभावनाएँ नहीं थीं। यह सुविधा, इस उम्मीद से असंगत थी कि एक इलेक्ट्रॉन किसी भी मात्रा में ऊर्जा द्वारा परमाणु के नाभिक से बंधा हो सकता है।

परिणाम और महत्व

हर्ट्ज़ का प्रयोग में देखा गया कि ट्रांसमीटर के साथ उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय तरंगें अंतरिक्ष के माध्यम से यात्रा करने और रिसीवर के सर्किट में धाराओं को प्रेरित करने में सक्षम थीं। इसने मैक्सवेल के विद्युत चुंबकत्व के सिद्धांत और विद्युत चुम्बकीय तरंगों के अस्तित्व के लिए दृढ़ साक्ष्य प्रदान किए, जिन्हें अब रेडियो तरंगों के रूप में जाना जाता है।

1914 के फ़्रैंक-हर्ट्ज़ प्रयोग में वोल्टेज पर एनोड धारा की निर्भरता। ट्यूब का तापमान लगभग 115 C. था।

फ़्रैंक और हर्ट्ज़ द्वारा प्रकाशित आरेख में ग्रिड और कैथोड के बीच विद्युत क्षमता पर एनोड से बहने वाली विद्युत धारा की निर्भरता दर्शाते हैं।

• कम विभव अंतर पर - 4.9 वोल्ट तक - बढ़ते संभावित अंतर के साथ ट्यूब के माध्यम से धारा लगातार बढ़ती गई। यह व्यवहार वास्तविक वैक्यूम ट्यूबों के लिए विशिष्ट है जिनमें पारा वाष्प नहीं होता है; बड़े वोल्टेज से बड़ा "स्पेस-चार्ज सीमित करंट" उत्पन्न होता है।
• 4.9 वोल्ट पर करंट तेजी से गिरता है, लगभग शून्य पर।
• जैसे-जैसे वोल्टेज और बढ़ता है, करंट एक बार फिर लगातार बढ़ता जाता है, जब तक कि 9.8 वोल्ट (जो 4.9+4.9 वोल्ट) तक नहीं पहुंच जाता।
• 9.8 वोल्ट पर समान तीव्र गिरावट देखी जाती है।
• हालांकि यह चित्र के मूल माप में स्पष्ट नहीं है, लगभग 4.9 वोल्ट वृद्धि पर धारा में गिरावट की यह श्रृंखला कम से कम 70 वोल्ट की क्षमता तक जारी रहती है ।

हर्ट्ज़ के अन्वेषण ने रेडियो, टेलीविजन और कालांतर में मोबाइल फोन जैसी वायरलेस संचार प्रौद्योगिकियों के विकास का मार्ग प्रशस्त किया। इसने प्रदर्शित किया कि ऊर्जा की अदृश्य तरंगें उत्पन्न की जा सकती हैं और उनका पता लगाया जा सकता है, और ये तरंगें भौतिक कनेक्शन की आवश्यकता के बिना अंतरिक्ष में जानकारी प्रसारित कर सकती हैं।

संक्षेप में

हर्ट्ज़ के प्रयोग में अदृश्य विद्युत चुम्बकीय तरंगें उत्पन्न करने के लिए एक सर्किट में चिंगारी उत्पन्न करना और दूसरे सर्किट के साथ इन तरंगों का पता लगाना सम्मलित था। इस प्रयोग ने मैक्सवेल के सिद्धांत का समर्थन किया और दिखाया कि ये तरंगें अंतरिक्ष के माध्यम से यात्रा कर सकती हैं, जिससे वायरलेस संचार प्रौद्योगिकियों का जन्म हुआ।