A Frank-Hertz kísérlet az első olyan elektromos mérés, amely egyértelműen kimutatta az atomok kvantumtermészetét [1] [2] . A kísérletet 1914-ben végezték el James Frank és Gustav Ludwig Hertz német fizikusok , akik kimutatták, hogy az atomok csak bizonyos diszkrét mennyiségekben - kvantumokban - képesek elnyelni az energiát. Ez a megfigyelés magyarázatot talált a régi kvantumelmélet – az atom Bohr-modellje – keretein belül , amely azt sugallta, hogy az atomban lévő elektronok csak bizonyos energiaszinteket foglalhatnak el. Mindkét tudós 1925 -ben fizikai Nobel-díjat kapott ezekért a tanulmányokért .
A kísérlet azt mérte, hogy az elektromos tér által felgyorsított elektronok mekkora energiájuk maradt, miután átkeltek egy higanyatommal töltött vákuumlámpán . A mérések azt mutatták, hogy 4,9 V - nál kisebb gyorsítófeszültség alkalmazása után az elektronok csak rugalmasan ütköznek az atomokkal, és gyakorlatilag nem veszítenek energiát. E küszöbérték felett ütközéskor 4,9 eV -ot adnak át az atomnak . A következő mérések során J. Frank és G. Hertz bebizonyította, hogy az ezt az energiát elnyelő higanyatomok 4,9 eV fotonenergiájú fényt bocsátanak ki, ami szintén megerősítette Bohr második posztulátumát . Kísérletek kimutatták, hogy az atomokban az energia elnyelése és felszabadulása kvantált .
A Frank-Hertz kísérlet a kvantumfizika egyik leglenyűgözőbb bizonyítéka, ugyanakkor viszonylag egyszerű a megvalósítása, ezért is használják a fizikaoktatásban .
Frank és Hertz egy vákuumcsövet épített a higanygőzön alacsony nyomáson átrepülő gyorsított elektronok tanulmányozására. Megállapították, hogy higanyatommal való ütközéskor egy elektron csak bizonyos mennyiséget (4,9 elektronvolt ) veszíthet kinetikai energiájából [3] . Ez az energiaveszteség egy elektron körülbelül 1,3 · 10 6 m/s sebességről nullára való lelassulásának felel meg. A gyorsabb elektron nem lassul le teljesen az ütközés után, hanem pontosan ugyanannyi mozgási energiát veszít. A lassabb elektronok egyszerűen rugalmasan visszapattannak a higanyatomokról anélkül, hogy jelentős sebességet vagy kinetikus energiát veszítenének [4] [3] .
Ezek a kísérleti eredmények konzisztensnek bizonyultak a Niels Bohr által az előző évben javasolt Bohr-modelltel . A Bohr-modell a kvantummechanika és az elektronhéjakkal rendelkező atomok előfutára volt . Legfontosabb jellemzője, hogy az atomon belüli elektron az egyik "kvantumenergia-szintet" foglalja el. Az ütközés előtt a higanyatomban lévő elektron a rendelkezésre álló legalacsonyabb energiaszintet foglalja el. Az ütközés után az atom belsejében lévő elektron 4,9 eV-nál nagyobb energiával magasabb energiaszintre mozdul el, így a higanyatomban az elektron és az atommag közötti kötés gyengül. A Bohr-féle kvantummodell nem biztosít köztes szinteket vagy más lehetséges energiákat egy elektron számára. Ez a tulajdonság azért volt "forradalmi", mert összeegyeztethetetlen azzal a feltételezéssel, hogy az elektron kötési energiája az atommaggal bármilyen energiaértéket felvehet [3] [5] . A kísérlet eredményeit 1914. április 24-én mutatták be a Német Fizikai Társaságnak James Frank és Gustav Hertz [6] [7] cikkében .
Egy második, 1914 májusában bemutatott cikkében Frank és Hertz az ütközéskor energiát elnyelő higanyatomok fénykibocsátásáról számolt be [8] . Kimutatták, hogy ennek az ultraibolya fénynek a hullámhossza pontosan megegyezik a felgyorsult elektron által elvesztett 4,9 eV-os energiával. A fény energiája és hullámhossza közötti összefüggést Bohr is megjósolta, mert ez az atom energiaszerkezetéből következett, amint azt Hendrik Lorentz kifejtette az 1911 -es Solvay Kongresszuson . Einstein brüsszeli kvantumszerkezetről szóló jelentése után Lorentz azt javasolta, hogy a forgó energiáját az értékkel ( h a Planck-állandó, ν a frekvencia és n egy természetes szám) tegye egyenlővé [9] [10] . Bohr átvette ezt az ötletet, és a Lorentz és mások által javasolt képletet bemásolta 1913 -as atommodelljébe . Lorenznek igaza volt. Az atomenergia kvantálása megfelelt a Bohr-modellben használt képletnek [3] . Egyes beszámolók szerint néhány évvel azután, hogy Frank bemutatta a kísérlet eredményeit, Albert Einstein megjegyezte: "Olyan szép, hogy sírni kezd" [1] .
1926. december 10-én Frank és Hertz megkapta az 1925-ös fizikai Nobel-díjat "az elektronok atomra gyakorolt hatását szabályozó törvényszerűségek felfedezéséért" [11] .
Az eredeti Frank-Hertz kísérletben egy fűtött vákuumcsövet használtak egy csepp higany csőhőmérsékleten 115 °C-on, amelyen a higanygőznyomás körülbelül 100 Pa (jóval a légköri nyomás alatt van) [6] [12] . A jobb oldali fényképen egy modern Frank-Hertz cső látható. Három elektródával van felszerelve: egy forró katód , amely elektronemissziót biztosít ; fém vezérlőrács ; és egy anód . A rácsfeszültség (lásd a bekötési rajzot) pozitív a katódhoz képest, így a forró katód által kibocsátott elektronok vonzódnak hozzá. A kísérletben mért elektromos áram a rácson áthaladó és az anódot elérő elektronoknak köszönhető. Az anód elektromos potenciálja enyhén negatív a rácshoz képest, így az anódot elérő elektronok kinetikai energiája többlet , nem kisebb, mint az anód és a rács közötti potenciálkülönbség [13] .
A Frank és Hertz által publikált grafikonok (az ábrán látható) bemutatják az anódról folyó elektromos áram függését a rács és a katód közötti elektromos potenciáltól.
Vákuumlámpa csatlakozási rajza. K a katód, G a vezérlőrács, A az anód.
Anódáram (tetszőleges mértékegységek) a hálózati feszültségtől függően (a katódhoz viszonyítva). Ez a grafikon Frank és Hertz eredeti, 1914-es tanulmányán alapul [6] .
Frank és Hertz első munkájukban megállapították, hogy tapasztalataik jellemző energiája (4,9 eV) jól megfelel a gázkisülésekben a higanyatomok által kibocsátott fény egyik hullámhosszának . A gerjesztési energia és a megfelelő fényhullámhossz közötti kvantumkapcsolatot használták, utalva Johannes Starkra és Arnold Sommerfeldre ; azt jósolja, hogy a 4,9 eV 254 nm hullámhosszú fénynek felel meg. Eredeti munkájukban Frank és Hertz félreértelmezte a rugalmatlan elektron-higany ütközésekkel kapcsolatos 4,9 V-os potenciált a higany ionizációs potenciáljának jelzéseként [15] . Az atomok Bohr-modelljével való kapcsolat valamivel később merült fel [6] . Ugyanez az összefüggés szerepelt Einstein 1905-ös fotoelektromos hatás kvantumelméletében [16] .
A második cikkben Frank és Hertz beszámolt csöveik optikai emissziójáról, amelyek egy észrevehető, 254 nm-es hullámhosszú fényt hoztak létre. A jobb oldali ábra egy Frank-Hertz cső spektrumát mutatja; Szinte minden kibocsátott fény azonos hullámhosszú. Összehasonlításképpen az ábrán egy gázkisüléses higany fényforrás spektruma is látható, amely a 254 nm mellett több hullámhosszon bocsát ki fényt. A rajz a Frank és Hertz által 1914-ben publikált eredeti spektrumokon alapul. Nagyon fontosnak bizonyult az a tény, hogy a Frank-Hertz cső csak egy hullámhosszt bocsátott ki, ami szinte pontosan megfelel az általuk mért feszültségváltozási periódusnak [13] .
Frank és Hertz kísérletüket az elektronok és a higanyatomok rugalmas és rugalmatlan ütközésével magyarázták. A lassan mozgó elektronok rugalmasan ütköznek higanyatomokkal [6] [7] . Ez azt jelenti, hogy ütközéskor megváltozik az elektron mozgási iránya, de sebessége változatlan marad. Az ábrán egy rugalmas ütközés látható, ahol a nyíl hossza az elektron sebességét jelzi. A higanyatomot nem érinti az ütközés, mivel körülbelül négyszázezerszer nagyobb tömegű, mint egy elektron [17] [18] .
Amikor az elektron sebessége meghaladja az 1,3 · 10 6 m/s értéket [4] , a higanyatommal való ütközések rugalmatlanná válnak. Ez a sebesség a higanyatom által elnyelt 4,9 eV kinetikus energiájának felel meg. Ebben az esetben az elektron sebessége csökken, és a higanyatom gerjesztett állapotba kerül. Rövid idő elteltével a higanyatomra átvitt 4,9 eV energia ultraibolya fényként szabadul fel, amelynek hullámhossza pontosan 254 nm. A fénykibocsátás után a higanyatom visszatér eredeti gerjesztetlen állapotába [17] [18] .
Ha a katód által kibocsátott elektronok szabadon repülnének, a rácsra jutva a rákapcsolt feszültséggel arányos kinetikus energiát szereznének. 1 eV kinetikus energia 1 voltos potenciálkülönbségnek felel meg a rács és a katód között [19] . A higanyatomokkal való rugalmas ütközések megnövelik azt az időt, ami ahhoz szükséges, hogy egy elektron elérje a rácsot, de az oda érkező elektronok átlagos kinetikus energiája nem sokat változik [18] .
Amikor a rácsfeszültség eléri a 4,9 V-ot, az elektronok ütközései a rács közelében rugalmatlanná válnak, és az elektronok nagymértékben lelassulnak. A rácsba belépő tipikus elektron kinetikus energiája annyira lecsökken, hogy nem tud tovább mozdulni, hogy elérje az anódot, amelynek feszültsége úgy van beállítva, hogy kissé taszítsa az elektronokat. Az anódot elérő elektronok árama leesik, amint az a grafikonon látható. A rácsfeszültség további növelése elegendő energiát biztosít a rugalmatlanul ütköző elektronoknak ahhoz, hogy ismét elérjék az anódot. Az áramerősség ismét megemelkedik, ha a hálózati potenciál meghaladja a 4,9 V-ot. 9,8 V-nál a helyzet ismét megváltozik. Az elektronok, miután a katódtól a rácsig körülbelül fél utat tettek meg, már elegendő energiát tettek fel az első rugalmatlan ütközéshez. Ahogy lassan haladnak a rács felé az első ütközés után, kinetikus energiájuk ismét megnő, így a rács közelében egy második rugalmatlan ütközést tapasztalhatnak. Az anód árama ismét leesik. Ez a folyamat 4,9 V-os időközönként megismétlődik; minden alkalommal, amikor az elektronok egy további rugalmatlan ütközést tapasztalnak [17] [18] .
Míg Frank és Hertz 1914-ben publikálták kísérleteik eredményeit, még nem tudták [20] , hogy 1913-ban Niels Bohr javasolta az atommodelljét, amely nagyon sikeresen magyarázta az atomi hidrogén spektrális tulajdonságait. A spektrumokat általában több hullámhosszon fényt kibocsátó gázkisülésekben figyelték meg. A hagyományos fényforrások, például az izzólámpák minden hullámhosszon bocsátanak ki fényt. Bohr nagyon pontosan kiszámította a hidrogén által kibocsátott hullámhosszokat [21] .
A Bohr-modell fő feltételezése az elektron lehetséges kötési energiáira vonatkozik az atommaggal. Egy atom ionizálódik , ha egy másik részecskével való ütközés legalább ezt a kötési energiát átadja neki. Ennek eredményeként az elektron leválik az atomról, ami pozitív töltésű ionná alakul. Itt egy analógiát vonhatunk le a Föld körül keringő műholdakkal. Minden műholdnak saját pályája van, és szinte bármilyen pályatávolság és bármilyen műholdkötési energia lehetséges. Mivel az elektron hasonlóan vonzódik az atommag pozitív töltéséhez, az úgynevezett "klasszikus" számítások azt sugallják, hogy bármilyen kötési energiát az elektronok számára is lehetővé kell tenni. Bohr azonban kimutatta, hogy csak bizonyos kötési energiák lehetségesek, amelyek megfelelnek az atomban lévő elektron "kvantumenergia-szintjének". Az elektron általában a legalacsonyabb energiaszinten van a legmagasabb kötési energiával. További szintek magasabbak és alacsonyabb kötési energiáknak felelnek meg. Az e szintek között elhelyezkedő köztes kötési energiák nem megengedettek. Ez akkoriban forradalmi feltevés volt [5] .
Frank és Hertz azt feltételezte, hogy a kísérleteikre jellemző 4,9 V-os feszültséget a higanyatomok ionizációja okozta a katód által kibocsátott elektronokkal való ütközés következtében. 1915-ben Bohr publikált egy tanulmányt, amelyben megjegyezte, hogy a Frank- és Hertz-mérések jobban megfeleltek az atommodelljében szereplő kvantumszintek feltételezésének [22] . Bohr modelljében az ütközés az atom belsejében lévő elektront a legalacsonyabb szinttől az első kvantumszintig gerjesztette. A Bohr-modell azt is megjósolta, hogy fény bocsát ki, amikor egy elektron a gerjesztett kvantumszintről a legalacsonyabbra tér vissza, és az emissziós hullámhossz megfelel az atom belső szintjei közötti energiakülönbségnek, amit Bohr-relációnak neveztek. A ν frekvenciát a fény λ hullámhosszához viszonyítjuk a következő képlettel: ν = c / λ [23] [3] . Frank és Hertz 254 nm-es csősugárzásuk megfigyelése szintén összhangban van Bohr megállapításaival.
,ahol E 0 és E 1 a talaj és a gerjesztett energiaszintek energiái , h a Planck-állandó, c a fénysebesség vákuumban [24] . A Frank-Hertz kísérletben E 0 - E 1 \u003d 4,9 eV. Az 1918-as első világháború befejezése után publikált tanulmányokban Frank és Hertz nagyrészt átvették Bohr nézetét a kvantummechanika egyik kísérleti pilléreként elismert kísérletük értelmezésére vonatkozóan [25] . A világról alkotott felfogásunkat megváltoztatta ennek a kísérletnek az eredménye; talán ez az egyik legfontosabb alapja az anyag kvantumtermészetének kísérleti igazolásának [1] [7] . Ahogy Abraham Pais írta róla [3] :
Frank és Hertz munkájának szépsége nemcsak a beeső elektron E 2 - E 1 energiaveszteségének mérésében rejlik , hanem azt is megállapították, hogy amikor ennek az elektronnak az energiája meghaladja a 4,9 eV-ot, a higany bizonyos frekvenciával kezd ultraibolya fényt kibocsátani. ν , a fenti képletben meghatározottak szerint. Ezzel adták (eleinte önkéntelenül) a Bohr-reláció első közvetlen kísérleti bizonyítékát!
Eredeti szöveg (angol)[ showelrejt] Franck és Hertz munkájának szépsége nemcsak a becsapódó elektron E 2 — E 1 energiaveszteségének mérésében rejlik , hanem azt is megfigyelték, hogy amikor az elektron energiája meghaladja a 4,9 eV-ot, a higany ultraibolya fényt kezd kibocsátani. a fenti képletben meghatározott ν frekvenciájú . Ezzel adták (eleinte akaratlanul is) a Bohr-reláció első közvetlen kísérleti bizonyítékát!Frank maga hangsúlyozta az ultraibolya kísérlet fontosságát a Fizikai Tudományok Kutatóbizottsága (PSSC) 1960-as filmjének epilógusában [20] , amely a Frank-Hertz kísérletről szól .
Oktatólaboratóriumokban a Frank-Hertz kísérletet gyakran neon használatával végzik , ami a rugalmatlan ütközések kezdetét jelzi a vákuumcsőben látható narancssárga izzással, és nem mérgező, ami fontos, ha a cső eltörik. A higanycsövek esetében a rugalmas és rugalmatlan ütközési modell azt jósolja, hogy az anód és a rács között keskeny sávoknak kell lenniük, ahol a higany fényt bocsát ki, de ez a fény ultraibolya, ezért szabad szemmel nem látható. A neon esetében a Frank-Hertz feszültség intervallum 18,7 V, így 18,7 V feszültség alkalmazásakor narancssárga fény jelenik meg a rács közelében. Ez az izzás növekvő gyorsulási potenciállal közelíti meg a katódot, és jelzi azokat a helyeket, ahol az elektronok elérték a neonatom gerjesztéséhez szükséges 18,7 eV energiát. 37,4 V-os feszültségnél két külön izzás lesz látható: az egyik középen a katód és a rács között, a másik pedig a gyorsító rács közelében. A 18,7 V-on elhelyezett nagyobb potenciálok további világító tartományokat eredményeznek a csőben [26] .
A neon további előnye az oktatási laborokban, hogy a tubus szobahőmérsékleten használható. A látható sugárzás hullámhossza azonban jóval hosszabb, mint amit a Bohr-arány és a 18,7 V-os távolság megjósolt.A narancssárga fényre részben két atomszint tartozik, amelyek 16,6 eV-tal és 18,7 eV-tal a legalacsonyabb szint felett helyezkednek el. A 18,7 eV-os szintig gerjesztett elektronok a 16,6 eV-os szintre esnek a kísérő narancssárga fénykibocsátással [26] .