Experimentul Franck-Hertz

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare

Experimentul Franck-Hertz a fost un experiment fizic care a furnizat suport pentru modelul Bohr al atomului, un precursor al mecanicii cuantice. În 1914, fizicienii germani James Franck și Gustav Ludwig Hertz au încercat să probeze experimental nivelele energetice ale atomului. Astăzi celebrul experiment Franck-Hertz a adus dovada experimentală a modelului atomului propus de Niels Bohr, cu electroni orbitând nucleul cu niveluri discrete specificate de energie. Franck și Hertz au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1925 pentru acest experiment.

Experimentul Franck-Hertz a confirmat modelul cuantizat al lui Bohr pentru atom, demonstrând că atomii pot să absoarbe sau să cedeze energie doar în anumite cuante.

Experimentul[modificare | modificare sursă]

Grafic al curentului raportat la tensiune

Experimentul clasic implica un tub cu gaz la presiune joasă, dotat cu trei electrozi: un catod care emite electroni, o grilă pentru accelerare, și un anod. Anodul era ținut la un potențial electric ușor negativ relativ la grilă (deși pozitiv față de cel al catodului), astfel încât electronii să aibă o energie cinetică mică după trecerea de grilă. Instrumentele au fost calibrate pentru a măsura curentul electric dintre cei doi electroni, și a ajusta diferența de potențial dintre catod (electrodul negativ) și grila de accelerare.

  • La diferențe de potențial reduse—până la 4,9 volți când tubul conținea vapori de mercur - curentul prin tub creștea constant cu creșterea diferenței de potențial. Tensiunea mai ridicată mărea câmpul electric din tub și electronii erau atrași cu forță mai mare spre și prin grila de accelerare.
  • La 4,9 volți curentul scade brusc, aproape până la zero.
  • Curentul crește constant din nou dacă tensiunea este crescută mai mult, până se ajunge la 9,8 volți (exact 4,9+4,9 volți).
  • La 9,8 volți se observă o cădere bruscă similară.
  • Această serie de căderi ale curentului din 4,9 în 4,9 volți continuă vizibil până la potențiale de cel puțin 100 de volți.

Interpretarea rezultatelor[modificare | modificare sursă]

Franck și Hertz și-au explicat experimentul în termeni de ciocnire elastică și inelastică. La potențiale scăzute, electronii accelerați căpătau doar o cantitate modestă de energie cinetică. La întâlnirea atomilor de mercur din tub, ei participau la ciocniri pur elastice. Aceasta se datorează predicției mecanicii cuantice că un atom nu poate absorbi energie până când energia de coliziune depășește cea necesară pentru a ridica un electron la o stare de energie superioară.

Cu coliziuni pur elastice, cantitatea totală de energie cinetică din sistem rămâne aceeași. Deoarece electronii au masă de peste o mie de ori mai mică decât cei mai ușori atomi, înseamnă că electronii dețin marea majoritate a acelei energii cinetice. Potențialele mai înalte servesc pentru a aduce mai mulți electroni prin grilă spre anod și a mări curentul măsurat, până când potențialul de accelerare ajunge la 4,9 volți.

Excitarea electronică cu cea mai mică energie în care poate participa un atom de mercur necesită 4,9 electron-volți (eV). Când potențialul de accelerare ajunge la 4,9 volți, fiecare electron liber are exact 4,9 eV energie cinetică (peste energia sa de repaus la acea temperatură) când ajunge la grilă. În consecință, o coliziune între un atom de mercur și un electron liber la acel punct poate fi inelastică, adică energia cinetică a unui electron liber poate fi convertită în energie potențială prin creșterea nivelului de energie al unui electron legat de un atom de mercur: aceasta se numește excitarea atomului de mercur. Pierzându-și astfel toată energia cinetică acumulată, electronul liber nu mai poate depăși diferența de potențial ușor negativă dintre grilă și anod, iar curentul măsurat scade astfel brusc.

Cu creșterea tensiunii, electronii vor participa la o ciocnire inelastică, vor pierde 4,9 eV, dar vor continua să fie accelerați. În acest fel, curentul crește din nou după ce potențialul de accelerare depășește 4,9 V. La 9,8 V, situația se schimbă din nou. Acolo, fiecare electron are atâta energie cât să poată participa la două ciocniri inelastice, să excite doi atomi de mercur, și apoi să rămână fără energie cinetică. Din nou, curentul observat scade. La intervale de 4,9 volți acest proces se repetă; de fiecare dată, electronii suferă încă o ciocnire inelastică.

Efectul în cazul altor gaze[modificare | modificare sursă]

Același fenomen se observă și dacă în loc de mercur se folosește neon, dar la intervale de aproximativ 19 volți. Procesul este identic, doar pragul diferă semnificativ. O altă diferență este că apare o strălucire lângă grila de accelerare la 19 volți—una din tranzițiile atomilor de neoni se face cu emisie de lumină roșie-portocalie. Această strălucire se mută mai aproape de catod cu creșterea potențialului de accelerare, aflându-se mereu la poziția din tub la care electronii ating energia cinetică de 19 eV necesară pentru a excita un nou atom. La 38 de volți, apar două străluciri distincte: una între catod și grilă, și una chiar în dreptul grilei. La potențiale mai înalte, din 19 în 19 volți, au ca rezultat regiuni adiționale de strălucire în tub.