Experimentul Franck-Hertz

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 şi 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 şi 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.

ExperimentulGrafic al curentului raportat la tensiune

Expreimentul clasic implica un tub cu gaz la presiune joasă, dotat cu trei electrozi: un catod care emite electroni, o grilă pentru accelerare, şi un anod. Anodul era ţinut la un potenţial electric uşor negativ relativ la grilă (deşi pozitiv faţă 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, şi a ajusta diferenţa de potenţial dintre catod (electrodul negativ) şi grila de accelerare.

La diferenţe de potenţial reduse până la 4,9 volţi când tubul conţinea vapori de mercur - curentul prin tub creştea constant cu creşterea

diferenţei de potenţial. Tensiunea mai ridicată mărea câmpul electric din tub şi electronii erau atraşi cu forţă mai mare spre şi prin grila de accelerare.

La 4,9 volţi curentul scade brusc, aproape până la zero.Curentul creşte constant din nou dacă tensiunea este crescută mai mult, până se ajunge la 9,8

volţi (exact 4,9+4,9 volţi).La 9,8 volţi se observă o cădere bruscă similară.Această serie de căderi ale curentului din 4,9 în 4,9 volţi continuă vizibil până la potenţiale de

cel puţin 100 de volţi.Interpretarea rezultatelorFranck şi Hertz şi-au explicat experimentul în termeni de ciocnire elastică şi inelastică. La

potenţiale scăzute, electronii acceleraţi căpătau doar o cantitate modestă de energie cinetică. La întâlnirea atomilor de mercur din tub, ei participau la ciocniri pur elastice. Aceasta se datorează predicţiei mecanicii cuantice că un atom nu poate absorbi energie până când energia de coliziune depăşeşte 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 aceeaşi. Deoarece electronii au masă de peste o mie de ori mai mică decât cei mai uşori atomi, înseamnă că electronii deţin marea majoritate a acelei energii cinetice. Potenţialele mai înalte servesc pentru a aduce mai mulţi electroni prin grilă spre anod şi a mări curentul măsurat, până când potenţialul de accelerare ajunge la 4,9 volţi.

Excitarea electronică cu cea mai mică energie în care poate participa un atom de mercur necesită 4,9 electron-volţi (eV). Când potenţialul de accelerare ajunge la 4,9 volţi, fiecare electron liber are exact 4,9 eV energie cinetică (peste energia sa de repaus la acea temperatură) când ajunge la grilă. În consecinţă, o coliziune între un atom de mercur şi un electron liber la acel punct poate fi inelastică, adică energia cinetică a unui electron liber poate fi convertită în energie potenţială prin creşterea nivelului de energie al unui electron legat de un atom de mercur: aceasta se numeşte excitarea atomului de mercur. Pierzându-şi astfel toată energia cinetică acumulată, electronul liber nu mai poate depăşi diferenţa de potenţial uşor negativă dintre grilă şi anod, iar curentul măsurat scade astfel brusc.

Cu creşterea tensiunii, electronii vor participa la o ciocnire inelastică, vor pierde 4,9 eV, dar vor continua să fie acceleraţi. În acest fel, curentul creşte din nou după ce potenţialul de accelerare depăşeşte 4,9 V. La 9,8 V, situaţia se schimbă din nou. Acolo, fiecare electron are atâta energie cât să poată participa la două ciocniri inelastice, să excite doi atomi de mercur, şi apoi să rămână fără energie

cinetică. Din nou, curentul observat scade. La intervale de 4,9 volţi acest proces se repetă; de fiecare dată, electronii suferă încă o ciocnire inelastică.

Efectul în cazul altor gazeAcelaşi fenomen se observă şi dacă în loc de mercur se foloseşte neon, dar la intervale de

aproximativ 19 volţi. Procesul este identic, doar pragul diferă semnificativ. O altă diferenţă este că apare o strălucire lângă grila de accelerare la 19 volţi--una din tranziţiile atomilor de neoni se face cu emisie de lumină roşie-portocalie. Această strălucire se mută mai aproape de catod cu creşterea potenţialului de accelerare, aflându-se mereu la poziţia din tub la care electronii ating energia cinetică de 19 eV necesară pentru a excita un nou atom. La 38 de volţi, apar două străluciri distincte: una între catod şi grilă, şi una chiar în dreptul grilei. La potenţiale mai înalte, din 19 în 19 volţi, au ca rezultat regiuni adiţionale de strălucire în tub.

Puşcaşu Alexandra Clasa a XII-a A