I början av 1900-talet var kvantteorin i sin barndom. Grundprincipen för denna nya kvantvärld var att energi kvantifierades. Detta innebär att ljus kan tänkas vara sammansatt av fotoner, var och en bär en enhet (eller 'kvanta') av energi och att elektroner upptar diskreta energinivåer i en atom. Dessa diskreta elektronenerginivåer var nyckelpunkten för Bohr-modellen för atomen som introducerades 1913.

Franck-Hertz-experimentet, utfört av James Franck och Gustav Hertz, presenterades 1914 och visade tydligt dessa diskretiserade energinivåer för första gången. Det var ett historiskt experiment, erkänt av Nobelpriset i fysik 1925. Efter en föreläsning om experimentet rapporterades Einstein som att säga "Det är så härligt, det får dig att gråta!" .

Ett schema av ett Franck-Hertz-rör.

Experimentuppställning

Huvuddelen av experimentet är Franck-Hertz-röret som visas ovan. Röret evakueras för att bilda ett vakuum och fylls sedan med en inert gas (vanligtvis kvicksilver eller neon). Gasen hålls sedan vid ett lågt tryck och en konstant temperatur. Typiska experiment kommer att involvera ett temperaturkontrollsystem för att tillåta rörets temperatur att justeras. Under experimentet mäts strömmen, I, och kommer vanligtvis att matas ut genom ett oscilloskop eller en grafplottmaskin.

Fyra olika spänningar appliceras över olika sektioner av röret. Vi kommer att beskriva avsnitten från vänster till höger för att fullt ut förstå röret och hur en ström produceras. Den första spänningen, UH, används för att värma ett metalltråd, K. Detta producerar fria elektroner via termisk emission (värmeenergi som övervinner elektronernas funktionsfunktion för att bryta elektronen fri från sin atom).

Nära till glödtråden finns ett metallnät, G, som hålls vid en spänning, V1 . Denna spänning används för att attrahera de nyligen fria elektronerna som sedan passerar genom nätet. En accelerationsspänning, U2, appliceras sedan. Detta accelererar elektronerna mot det andra nätet, G2 . Detta andra rutnät hålls vid en stoppspänning, U 3, som verkar för att motverka elektronerna som når uppsamlingsanoden, A. Elektronerna som samlas in vid denna anod producerar den uppmätta strömmen. När värdena på UH, U1 och U3 är inställda, kokar experimentet ner för att variera accelerationsspänningen och observera effekten på strömmen.

Data som samlats in med användning av kvicksilverånga upphettade till 150 Celsius i Franck-Hertz-röret. Ström plottas som en funktion av accelererande spänning. Observera att det allmänna mönstret är viktigt och inte de skarpa hopp som helt enkelt är experimentell ljud.

Resultat

I diagrammet ovan visas ett exempel på formen på en typisk Franck-Hertz-kurva. Diagrammet har märkts för att indikera nyckeldelarna. Hur redovisas funktionerna i kurvan? Förutsatt att atomen har diskretiserade energinivåer finns det två typer av kollision som elektronerna kan ha med gasatomerna i röret:

  • Elastiska kollisioner - Elektronen "studsar" från gasatomen utan att förlora energi / hastighet. Endast körriktningen ändras.
  • Inelastiska kollisioner - Elektronen väcker gasatomen och förlorar energi. På grund av de separata energinivåerna kan detta bara ske för ett exakt energivärde. Detta kallas excitationsenergi och motsvarar skillnaden i energi mellan det atomiska marktillståndet (lägsta möjliga energi) och en högre energinivå.

A - Ingen ström observeras.

Accelerationsspänningen är inte tillräckligt stark för att övervinna stoppspänningen. Därför når inga elektroner anoden och ingen ström produceras.

B - Strömmen stiger till ett första maximum.

Accelerationsspänningen blir tillräcklig för att ge elektronerna tillräckligt med energi för att övervinna stoppspänningen men inte tillräckligt för att väcka gasatomerna. När accelerationsspänningen ökar har elektronerna mer kinetisk energi. Detta minskar tiden för att korsa röret och därför ökar strömmen ( I = Q / t ).

C - Strömmen är vid första gången.

Accelerationsspänningen är nu tillräcklig för att ge elektroner tillräckligt med energi för att väcka gasatomerna. Inelastiska kollisioner kan börja. Efter en inelastisk kollision kan det hända att elektronen inte har tillräckligt med energi för att övervinna stopppotentialen så att strömmen börjar sjunka.

D - Strömmen sjunker från det första maximumet.

Inte alla elektroner rör sig med samma hastighet eller till och med riktning på grund av elastiska kollisioner med gasatomerna som har sin egen slumpmässiga termiska rörelse. Därför kommer vissa elektroner att behöva mer accelererande än andra för att nå excitationsenergin. Därför sjunker strömmen gradvis istället för att falla kraftigt.

E - Strömmen är på det första minimum.

Ett maximalt antal kollisioner som spänner gasatomerna uppnås. Därför når inte ett maximalt antal elektroner anoden och det finns en minsta ström.

F - Strömmen stiger igen, upp till ett andra maximum.

Accelerationsspänningen ökas tillräckligt för att accelerera elektroner tillräckligt för att övervinna stopppotentialen efter att de har tappat energi till en inelastisk kollision. Det genomsnittliga läget för inelastiska kollisioner rör sig vänster ner i röret, närmare filamentet. Strömmen stiger på grund av det kinetiska energirargumentet som beskrivs i B.

G - Strömmen är vid det andra maximumet.

Accelerationsspänningen är nu tillräcklig för att ge elektroner tillräckligt med energi för att excitera 2 gasatomer medan den rör rörets längd. Elektronen accelereras, har en inelastisk kollision, accelereras igen, har en annan inelastisk kollision och har då inte tillräckligt med energi för att övervinna stopppotentialen så att strömmen börjar sjunka.

H - Strömmen sjunker igen, från det andra maximumet.

Strömmen sjunker gradvis på grund av effekten som beskrivs i D.

I - Strömmen är på det andra minimum.

Ett maximalt antal elektroner med 2 inelastiska kollisioner med gasatomerna uppnås. Därför når inte ett maximalt antal elektroner anoden och en andra minsta ström uppnås.

J - Detta mönster av maxima och minima upprepas sedan för högre och högre accelerationsspänningar.

Mönstret upprepas sedan allt fler inelastiska kollisioner monteras i rörets längd.

Det framgår att minima av Franck-Hertz-kurvorna är lika åtskilda (spärrar experimentella osäkerheter). Detta avstånd mellan minima är lika med gasatomernas excitationsenergi (för kvicksilver är detta 4, 9 eV). Det observerade mönstret för lika åtskilda minima är bevis på att atomenerginivåerna måste vara diskreta.

Vad sägs om effekten av att ändra temperaturen på röret?

En ökning av rörets temperatur skulle leda till en ökning av den slumpmässiga termiska rörelsen hos gasatomerna i röret. Detta ökar sannolikheten för att elektronerna har mer elastiska kollisioner och tar en längre väg till anoden. En längre väg försenar tiden för att nå anoden. Därför ökar temperaturen den genomsnittliga tiden för elektronerna att korsa röret och minskar strömmen. Strömmen sjunker när temperaturen ökar och amplituden på Franck-Hertz-kurvorna kommer att sjunka men det distinkta mönstret kommer att förbli.

Överlagda Franck-Hertz-kurvor för olika temperaturer på kvicksilver (visar den förväntade minskningen i amplituden).