نگاه اجمالی
بر اساس
نظریه مکانیک کوانتومی می‌دانیم که دستگاههای اتمی مانند
اتم هیدروژن کوانتیده‌اند و انرژی‌های مجاز گسسته‌اند بنابراین یک
فوتون با انرژی h) hv
ثابت پلانک و v فرکانس نور است) تنها در صورتی می تواند توسط اتم جذب شود که انرژی آن با اختلاف انرژی بین دو حالت مجاز در
ساختمان اتم برابر باشد. ممکن است این سوال در ذهن ایجاد شود که آیا می‌توان انرژی یک دستگاه کوانتیده را از طریق برخورد با ذرات دیگر، مانند الکترون نیز تغییر داد.
آزمایش فرانک - هرتز در مقام پاسخ گفتن به این سوال طراحی و اجرا شده است.
تاریخچه
برای نخستین بار در سال 1914 آزمایش فرانک و هرتز نشان داد که بر انگیختگی انتها توسط
بمباران ذره‌ای امکان‌پذیر است و
کوانتش انرژی بر این فرآیند نیز حاکم است.
آزمایش فرانک هرتز در مورد اتم هیدروژن
فرض کنید اتمهای هیدروژن ، در حالت پایه ، توسط یک باریکه
انرژی از الکترونهایی که
انرژی جنبشی آنها از 10.2
الکترون ولت (انرژی برانگیختگی اولین حالت برانگیخته هیدروژن) کمتر است بمباران شوند. چون اتم هیدروژن در حالت پایه نمی‌تواند انرژی خود را کمتر از این تعداد افزیش دهد الکترونها با اتمهای هیدروژن بطور کاملا کشسان برخورد می‌کنند (
برخورد کشسان) و انرژی جنبشی کل ذرات خروجی در این برخورد، با انرژی جنبشی کل ذرات ورودی کاملا برابر است.
از طرف دیگر، الکترونهای تک انرژی که انرژی جنبشی آنها دقیقا برابر با 10.2 الکترون ولت است با اتمهای هیدروژن در حالت پایه برخورد می‌کنند و این برخورد می‌تواند غیر کشسان باشد. در این حالت با تبدیل انرژی جنبشی اولیه الکترون به انرژی داخلی اتم هیدروژن ، این اتم یک گذار به ترازهای بالا ، از حالت پایه به اولین حالت برانگیخته ، انجام می‌دهد. اتمهایی که به این طریق به یک حالت برانگیخته می‌رسند پس از آن می‌توانند با گسیل یک فوتون با انرژی 10.2 الکترون ولت ، به حالت پایه واپاشیده شوند.
اگر الکترونهای بمباران کننده دارای انرژی جنبشی بیشتر از 10.2 الکترون ولت باشند، نیز برخورد کشسان خواهد بود، فقط مقدار 10.2 الکترون ولت به انرژی داخلی برانگیختگی اتم تبدیل خواهد شد. انرژی جنبشی باقیمانده به صورت انژی جنبشی الکترون خروجی ظاهر می‌شود. با افزایش باز هم بیشتر انرژی ذرات بمباران کننده ، اتمها می‌توانند به دومین حالت برانگیخته و به حالتهای بالاتر برسند. در هر کدام از این
برخوردهای غیر کشسان ، اتم فقط آن انرژی را که باعث گذار از یک تراز انرژی کوانتیده به تراز بالاتر خواهد شد، جذب می‌کند و مازاد انرژی بصورت انرژی جنبشی الکترون خروجی خواهد بود.
آزمایش فرانک - هرتز با بخار جیوه
در آزمایش اولیه فرانک - هرتز الکترونها وادار به برخورد با اتمهای بخار جیوه شدند،
طول موج تابش متناظر با گذار بین حالت پایه و اولین حالت برانگیخته جیوه برابر 2536
آنگستروم است. انرژی معادل با آن برابر با 21.88 الکترون ولت است. فرانک و هرتز دریافتند که الکترونهایی با این حداقل انرژی جنبشی برای تولید برانگیختگی در اتمهای
جیوه مورد نیاز هستند. این مطلب از این حقیقت استنباط شد که وقتی انرژی الکترونها از 4.88 الکترون ولت کمتر بود، برخوردها کاملا کشسان بودند، ولی وقتی که انرژی آنها بیشتر بود تعدادی برخورد غیر کشسان رخ می‌داد. در همان زمان معلوم شد که اگر ، و فقط اگر ، الکترونهایی با حداقل انرژی برانگیختگی 4.88 الکترون ولت با اتمهای جیوه برخورد کنند، اتمهای جیوه تابش 2536 آنگسترومی گسیل می‌کنند.
اهمیت تاریخی آزمایش فرانک - هرتز
اهمیت تاریخی آزمایش فرانک - هرتز در این است که ، این آزمایش نشان داد که دستگاههای اتمی کوانتیده‌اند و این موضوع ، نه فقط در جذب و گسیل
فوتون ، بلکه در بمباران ذره‌ای نیز نمایان شد. در عمل می‌توان برخوردهای غیر کشسان الکترونها را از طریق اندازه گیری
جریان الکتریکی ناشی از حرکت الکترونها در یک گاز مولکولی مشاهده کرد.
روشهای دیگر برای آزمایش فرانک - هرتز
روش ساده‌تر و متداولتری برای انگیختن اتمها توسط فرانک - هرتز پیشنهاد شد. در این روش از
تخلیه الکتریکی توسط یک
میدان الکتریکی خارجی استفاده می‌شود که در آن الکترونها و یونها شتاب می‌گیرند و انرژی جنبشی خیلی بالا کسب می‌کنند. این روش در عمل ، با اعمال یک
اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود واقع در یک اتاقک شیشه‌ای محتوی گاز انجام می‌شود. از اینرو با برانگیختگی گرمایی و برانگیختگی الکتریکی طیفهای گسیلی تولید می‌شود.
مباحث مرتبط با عنوان
