Franck–Hertz deneyi

Franck–Hertz deneyi tarihsel önemi olan bir fizik deneyidir. Kuantum mekaniğine öncülük eden Bohr-atom-modeli, bu deney tarafından doğrulanmıştır. Alman fizikçiler James Franck ve Gustav Ludwig Hertz, 1914 yılında atomların enerji seviyelerini deneysel olarak ölçtüler. Böylece, Niels Bohr tarafından geliştirilen, elektronların atom çekirdekleri etrafında kesintili enerji yörüngelerinde yer aldığı atom modeli Franck–Hertz deneyi tarafından deneysel olarak kanıtlanmış oldu. Franck ve Hertz bu başarılarında dolayı 1925 yılında Nobel fizik ödülünü kazandılar.

Diğer bir deyişle, atomların az veya çok şeklinde değil de kesintili miktarlada, lafın gelişi 1 kuanta ya da 2 kuanta şeklinde, enerji soğurabildikleri Franck–Hertz deneyi tarafından doğrulanmıştır.

Deneyin yapılışı

Cıva atomunun enerji seviyeleri

Elektron tabancasından çıkan elektronlar, cıva gazı bulunan bölümde gaz atomlarıyla çarpışmaları sırasında belirli bir enerji kaybederler. Temel halde bulunan gaz atomları kararsız hale geçer. Temel hal atomun en kararlı halidir. Elektronların enerjilerini belirtmede oldukça küçük enerji birimi olan Elektronvolt(eV) kullanılır.

Atomların elektronlarla uyarılması

Birinci örnek: 4,9 eV enerjiye sahip bir elektron, cıva atomu ile çarpıştırılırsa bu gaz atomu enerji alarak kararsız hale geçer. Kısa bir süre sonra aldığı bu enerjiyi foton olarak saçar ve temel hale geri dönmüş olur. Elektron ise 0,04 eV enerji ile yoluna devam eder.

İkinci örnek: 3,85 eV enerjiye sahir bir elektron, cıva atomunun enerjisini değiştirmez. Başka bir ifadeyle bu elektron atomu uyarmadan geçer.

Üçüncü örnek: Enerji seviyelerinin en büyük değerine iyonlaşma enerjisi denir (Cıva için 10,40 eV). Eğer elektronun enerjisi, iyonlaşma enerjisinden büyük veya iyonlaşma enerjisine eşit ise atom iyonlaşır. Cıva atomu 12,00 eV enerjili bir elektron ile uyarılırsa atomdan bir elektron kopar ve pozitif yüklü bir iyon halini alır.

Dördüncü örnek: 9,75 Volt(V) gerilim altında hızlandırılan elektronların, 9,75 eV 'ye kadar enerjileri yükselebilir. Cıva gazı ile dolu bir gaz odasında:

Bu elektron hiçbir atomu uyarmazsa:

• $9,75-0,00=9,75\,$ eV enerji ile gaz odasından dışarı çıkabilir.

Bu elektron herhangi bir atomu uyarırsa:

• $9,75-4,86=4,89\,$ eV enerji ile gaz odasından dışarı çıkabilir veya başka bir atomu uyararak $4,89-4,86=0,03\,$ eV enerji ile gaz odasından dışarı çıkabilir.
• $9,75-6,67=3,08\,$ eV enerji ile gaz odasından dışarı çıkabilir.
• $9,75-8,84=0,91\,$ eV enerji ile gaz odasından dışarı çıkabilir.

Atomların fotonlarla uyarılması

Bir fotonun temel haldeki bir atomu uyarması için en büyük enerji seviyesi hariç diğer enerji seviyelerinden herhangi biri ile sayısal değerinin aynı sayı olması gerekir. Örneğin cıva için; 7 eV enerjili foton uyarma yapamaz. Fotonla uyarılan atom aldığı enerjiyi foton olarak tekrar saçar.

Eğer fotonun enerjisi, iyonlaşma enerjisinden büyük veya iyonlaşma enerjisine eşit ise atom iyonlaşır.