آزمايش فرانك - هرتز

آزمايش فرانك - هرتز

بر اساس نظريه مكانيك كوانتومي مي‌دانيم كه دستگاههاي اتمي مانند اتم هيدروژن كوانتيده‌اند و انرژي‌هاي مجاز گسسته‌اند بنابراين يك فوتون با انرژي h) hv ثابت پلانك و v فركانس نور است) تنها در صورتي مي تواند توسط اتم جذب شود كه انرژي آن با اختلاف انرژي بين دو حالت مجاز در ساختمان اتم برابر باشد. ممكن است اين سوال در ذهن ايجاد شود كه آيا مي‌توان انرژي يك دستگاه كوانتيده را از طريق برخورد با ذرات ديگر، مانند الكترون نيز تغيير داد. آزمايش فرانك - هرتز در مقام پاسخ گفتن به اين سوال طراحي و اجرا شده است.

تاريخچه

براي نخستين بار در سال 1914 آزمايش فرانك و هرتز نشان داد كه بر انگيختگي انتها توسط بمباران ذره‌اي امكان‌پذير است و كوانتش انرژي بر اين فرآيند نيز حاكم است.

آزمايش فرانك هرتز در مورد اتم هيدروژن

فرض كنيد اتمهاي هيدروژن ، در حالت پايه ، توسط يك باريكه انرژي از الكترونهايي كه انرژي جنبشي آنها از 10.2 الكترون ولت (انرژي برانگيختگي اولين حالت برانگيخته هيدروژن) كمتر است بمباران شوند. چون اتم هيدروژن در حالت پايه نمي‌تواند انرژي خود را كمتر از اين تعداد افزيش دهد الكترونها با اتمهاي هيدروژن بطور كاملا كشسان برخورد مي‌كنند (برخورد كشسان) و انرژي جنبشي كل ذرات خروجي در اين برخورد، با انرژي جنبشي كل ذرات ورودي كاملا برابر است.

از طرف ديگر، الكترونهاي تك انرژي كه انرژي جنبشي آنها دقيقا برابر با 10.2 الكترون ولت است با اتمهاي هيدروژن در حالت پايه برخورد مي‌كنند و اين برخورد مي‌تواند غير كشسان باشد. در اين حالت با تبديل انرژي جنبشي اوليه الكترون به انرژي داخلي اتم هيدروژن ، اين اتم يك گذار به ترازهاي بالا ، از حالت پايه به اولين حالت برانگيخته ، انجام مي‌دهد. اتمهايي كه به اين طريق به يك حالت برانگيخته مي‌رسند پس از آن مي‌توانند با گسيل يك فوتون با انرژي 10.2 الكترون ولت ، به حالت پايه واپاشيده شوند.

اگر الكترونهاي بمباران كننده داراي انرژي جنبشي بيشتر از 10.2 الكترون ولت باشند، نيز برخورد كشسان خواهد بود، فقط مقدار 10.2 الكترون ولت به انرژي داخلي برانگيختگي اتم تبديل خواهد شد. انرژي جنبشي باقيمانده به صورت انژي جنبشي الكترون خروجي ظاهر مي‌شود. با افزايش باز هم بيشتر انرژي ذرات بمباران كننده ، اتمها مي‌توانند به دومين حالت برانگيخته و به حالتهاي بالاتر برسند. در هر كدام از اين برخوردهاي غير كشسان ، اتم فقط آن انرژي را كه باعث گذار از يك تراز انرژي كوانتيده به تراز بالاتر خواهد شد، جذب مي‌كند و مازاد انرژي بصورت انرژي جنبشي الكترون خروجي خواهد بود.

آزمايش فرانك - هرتز با بخار جيوه

در آزمايش اوليه فرانك - هرتز الكترونها وادار به برخورد با اتمهاي بخار جيوه شدند، طول موج تابش متناظر با گذار بين حالت پايه و اولين حالت برانگيخته جيوه برابر 2536 آنگستروم است. انرژي معادل با آن برابر با 21.88 الكترون ولت است. فرانك و هرتز دريافتند كه الكترونهايي با اين حداقل انرژي جنبشي براي توليد برانگيختگي در اتمهاي جيوه مورد نياز هستند. اين مطلب از اين حقيقت استنباط شد كه وقتي انرژي الكترونها از 4.88 الكترون ولت كمتر بود، برخوردها كاملا كشسان بودند، ولي وقتي كه انرژي آنها بيشتر بود تعدادي برخورد غير كشسان رخ مي‌داد. در همان زمان معلوم شد كه اگر ، و فقط اگر ، الكترونهايي با حداقل انرژي برانگيختگي 4.88 الكترون ولت با اتمهاي جيوه برخورد كنند، اتمهاي جيوه تابش 2536 آنگسترومي گسيل مي‌كنند.

اهميت تاريخي آزمايش فرانك - هرتز

اهميت تاريخي آزمايش فرانك - هرتز در اين است كه ، اين آزمايش نشان داد كه دستگاههاي اتمي كوانتيده‌اند و اين موضوع ، نه فقط در جذب و گسيل فوتون ، بلكه در بمباران ذره‌اي نيز نمايان شد. در عمل مي‌توان برخوردهاي غير كشسان الكترونها را از طريق اندازه گيري جريان الكتريكي ناشي از حركت الكترونها در يك گاز مولكولي مشاهده كرد.

روشهاي ديگر براي آزمايش فرانك - هرتز

روش ساده‌تر و متداولتري براي انگيختن اتمها توسط فرانك - هرتز پيشنهاد شد. در اين روش از تخليه الكتريكي توسط يك ميدان الكتريكي خارجي استفاده مي‌شود كه در آن الكترونها و يونها شتاب مي‌گيرند و انرژي جنبشي خيلي بالا كسب مي‌كنند. اين روش در عمل ، با اعمال يك اختلاف پتانسيل الكتريكي بين دو الكترود واقع در يك اتاقك شيشه‌اي محتوي گاز انجام مي‌شود. از اينرو با برانگيختگي گرمايي و برانگيختگي الكتريكي طيفهاي گسيلي توليد مي‌شود.