Doświadczenie Francka-Hertza

Doświadcznie Francka-Hertza (1913) polega na badaniu przepływu prądu elektrycznego przez triodę, wypełnioną parami rtęci. Pomimo prostoty, miało ono zasadnicze znaczenie dla mechaniki kwantowej (czyli porcjowej). Rzecz dotyczy kwantów światła emitowanego lub absorbowanego przez atomy i kwantów energii, jaką otrzymują lub przekazują elektrony.

  1. było wiadomo, od czasów Kirchhoffa, Bunsena i Angströma (ten ostatni jako pierwszy zbadał widmo wodoru atomowego w 1853 roku), że widmo emisji światła z atomów ma postać dobrze określonych linii,
  2. podobnie, absorpcja światła przez gazy zachodzi w postaci porcji, czyli określonych linii (stąd wiemy, np. jaki jest skład chemiczny powierzczhni Słońca),
  3. w zjawisku fotoelektrycznym (w ciele stałym lub oku), elektrony absorbują energię światła w postaci porcji; za wyjaśnienie tego procesu Einstein dostał nagrodę Nobla,
  4. według Plancka emisja światła z ciała doskonale czarnego również odbywa się w postaci porcji energii,
  5. brakowało sprawdzenia, czy elektrony w gazie (tj. w wyładowaniu elektrycznym), tracą energię również tylko w postaci porcji. Doświadczenie F-H dało odpowiedź pozytywną: tak! Porcje te (wyrażone w jednostkach energii elektronowoltach, np. około 4,8 eV dla rtęci) odpowiadają długościom fali emitowanych przez wzbudzony gaz (nadfiolet, w przypadku par rtęci).

Schemat i wynik doświadczenia Francka-Herzta.

Elektrony są emitowane z katody. Na siatkę S przykładane jest regulowane napięcie (od zera do kilkunastu V) przyspieszające elektrony, zaś pomiędzy siatką a anodą A, niewielkie, stałe napięcie zaporowe, które nie pozwala elektronom zbyt powolnym dotrzeć do anody.

W warunkach bez zderzeń, w miarę wzrostu napięcia siatki, prąd elektronów powinien rosnąć (lub w warunkach nasycenia pozostawać stały).

Okazuje się, że w triodzie wypełnionej parami rtęci, wzrost ten nie jest monotoniczny, a krzywa spada, kiedy elektrony (z katody) mają dostateczną energię, aby wzbudzić atom rtęci do wyższego stanu elektronowego. Czyli: atomy rtęci nie tylko emitują energię w postaci kwantów (światła) ale i absorbują energię (od swobodnych elektronów) w postaci kwantów.

Rys. pochodzi z książki:
H. Haken i H.C. Wolf, Atomy i kwanty, PWN, 2002

    Ironią losu jest, że w tym samym roku, w którym konstrukcja mechaniki kwantowej została zamknięta, pojawia się pierwsza wyrwa: postulaty Bohra, jeszcze niby kwantowe, ale niezrozumiałe bez mechaniki falowej deBroglie'a.