20. yüzyılın başında kuantum teorisi emekleme dönemindeydi. Bu yeni kuantum dünyasının temel ilkesi, enerjinin nicelleştirilmesi olup, ışığın fotonlardan oluştuğu, her birinin bir enerji birimi taşıdığı ve elektronların bir atom içindeki ayrı enerji seviyelerini işgal ettiği düşünülebilir. Bu ayrık elektron enerji seviyeleri, 1913’te ortaya çıkarılan atomun Bohr modelinin kilit noktası olmuştur.
James Franck ve Gustav Hertz tarafından gerçekleştirilen Franck-Hertz deneyi 1914’te sunulmuştur. Ve ilk defa bu ayrık enerji düzeylerini açıkça göstermiştir. Fizikte 1925 Nobel Ödülü tarafından kabul edilen tarihi bir deney olmuştur. Fizikte Franck-Hertz deneyi, atomlarda ayrık enerji durumlarının varlığının ilk deneysel doğrulaması, Alman doğumlu fizikçiler James Franck ve Gustav Hertz tarafından 1914 gerçekleştirilmiştir.
Franck ve Hertz, bir elektron tüpünde bulunan bir gazdan düşük enerjili elektronları yönlendirdi. Elektronların enerjisi yavaşça arttıkça, elektron akımının neredeyse hiç durmadan tamamen durgunluğa ulaşması için elektron akımının değiştiği belli bir kritik elektron enerjisine ulaşıldı. Gaz atomları, elektronların enerjisini, yalnızca belirli bir kritik değere ulaştığı zaman absorbe edebildi. Bu, gaz atomlarının içinde atomik elektronların, ayrı bir yüksek enerji seviyesine ani bir geçiş yaptığını gösterir. Bombalama elektronları bu ayrı enerji miktarından daha az olduğu sürece, hiçbir geçiş mümkün değildir ve elektron akımından hiçbir enerji emilmez. Bu hassas enerjiye sahip olduklarında, birden fazla enerji seviyesine yükseltilerek enerjiyi depolayan atomik elektronlara çarpışmalarda hepsini bir anda yitirirler.


Deney

Deneyin ana kısmı, yukarıda resmedilen Franck-Hertz tüpüdür. Tüp bir vakum oluşturmak için boşaltılır ve daha sonra bir inert gaz (tipik olarak cıva veya neon) ile doldurulur. Gaz daha sonra düşük bir basınçta ve sabit bir sıcaklıkta tutulur. Tipik deneyler, tüpün sıcaklığının ayarlanabilmesi için bir sıcaklık kontrol sistemi içerecektir. Deney sırasında akım, I, ölçülür ve bu ölçüm genellikle bir osiloskop veya bir grafik çizim makinesi ile çıkarılır.
Tüpün farklı bölümlerine dört farklı voltaj uygulanır. Tüpü tam olarak anlamak ve bir akımın nasıl üretildiğini anlamak için soldan sağa bölümleri açıklayamaya çalışacağız. İlk voltaj, UH, metal bir filamenti ısıtmak için kullanılır. Bu, termiyonik emisyon yoluyla serbest elektronlar üretir (elektronun kendi elektronundan arındırılmış elektronunu parçalamak için iş fonksiyonun üstündeki ısı enerjisidir).
Filamentin yakınında bir voltajda (V1) tutulan bir metal ızgara, G1 bulunur. Bu voltaj, daha sonra ızgaradan geçen yeni serbest elektronları çekmek için kullanılır. Ardından, hızlanan bir voltaj U2 uygulanır. Bu, elektronları ikinci ızgaraya (G2) doğru hızlandırır. Bu ikinci ızgara, toplama anoduna (A) ulaşan elektronlara karşı hareket eden U3 durma voltajında tutulur. Bu anotta toplanan elektronlar, akımı üretir.
Sonuçlar
Yukarıdaki diyagramda gösterilen, tipik bir Franck-Hertz eğrisinin şeklinin bir örneğidir. Diyagram, anahtar bölümleri belirtmek üzere etiketlenmiştir. Eğrinin özellikleri nasıl hesaplanır? Atomun ayrık enerji seviyelerine sahip olduğunu varsayarsak, elektronların tüp içindeki gaz atomları ile sahip olabileceği iki tür çarpışma vardır:
Elastik çarpışmalar – Elektron, herhangi bir enerji / hız kaybetmeden gaz atomunu geri döndürür.
Elastik olmayan çarpışmalar – Elektron gaz atomunu hareketlendirir ve enerji kaybettirir. Ayrık enerji seviyeleri nedeniyle, bu sadece kesin bir enerji değeri için olabilir. Buna eksitasyon enerjisi denir ve atomik toprak durumu (mümkün olan en düşük enerji) ve daha yüksek bir enerji seviyesi arasındaki enerji farkına karşılık gelir.
Grafik Yorumlaması
A – Akım Gözlenmez
Hızlanma voltajı, durdurma voltajının üstesinden gelmek için yeterince güçlü değildir. Dolayısıyla, hiçbir elektron anotta ulaşmaz ve akım üretilmez.
B – Akım 1’e çıkar.
Hızlanma voltajı, elektronların durma voltajını aşmak ve yeterli enerjiyi vermek için yeterli olmakta, ancak gaz atomlarını harekete geçirmek için yeterli olmamaktadır. İvme voltajı arttıkça elektronlar daha çok kinetik enerjiye sahiptir. Bu, boruyu geçme süresini ve dolayısıyla akım artışını azaltır (I = Q / t).
C – Akım 1. azami değerdedir.
Hızlanan voltaj şimdi, elektronlara gaz atomlarını harekete geçirecek kadar enerji vermek için yeterlidir. Esnek olmayan çarpışmalar başlayabilir. Esnek olmayan bir çarpışmadan sonra elektron, durdurma potansiyelini aşmak için yeterli enerjiye sahip olmayabilir ve böylece akım düşmeye başlar.
D – Akım maksimum 1’den düşer.
Tüm elektronlar, kendi rastgele termal hareketine sahip olan gaz atomlarıyla elastik çarpışmalara bağlı olarak aynı hızda hareket etmemektedir. Bu nedenle, bazı elektronlar uyarma enerjisine ulaşmak için diğerlerine göre daha hızlanmaya ihtiyaç duyacaktır. Bu yüzden akım hızla düşmek yerine yavaş yavaş düşer.
E – Akım 1 asgari değerdedir.
Gaz atomların hareketlendiren çok sayıda çarpışmaya ulaşılmıştır. Bu nedenle, maksimum sayıda elektron anotta ulaşmıyor ve minimum bir akım vardır.
F – Akım, ikinci bir maksimum değere kadar tekrar yükselir.
İlerleyen voltaj, elektronları, elastik olmayan bir çarpışmayla enerji kaybettikten sonra durma potansiyelini aşmaya yetecek kadar hızlandırmak için yeterince arttırılır. Elastik olmayan çarpışmaların ortalama konumu, filamana yakın olarak tüpün soluna doğru hareket eder. Akım B’de tanımlanan kinetik enerji argümanından dolayı yükselir.
G – Akım 2. azami değerdedir.
Hızlanma voltajı şimdi, elektronların, tüpün uzunluğunu hareket ettirirken 2 gaz atomunu harekete geçirecek kadar enerji vermesi için yeterlidir. Elektron hızlanır, elastik olmayan bir çarpışmaya sahiptir, tekrar hızlanır, başka elastik olmayan çarpışmalara sahiptir ve daha sonra akımın düşmeye başlaması için durma potansiyelinin üstesinden gelmek için yeterli enerjiye sahip değildir.
H – Akım yine 2. azami değerden düşer.
Akım, D’de tarif edilen etki nedeniyle kademeli olarak düşer.
I – Akım 2. minimumdadır.
Gaz atomları ile 2 esnek olmayan çarpışmaya sahip olan maksimum elektron sayısına ulaşılır. Bu nedenle, maksimum sayıda elektron anotta ulaşmaz ve ikinci bir minimum akıma ulaşılır.
J – Bu maxima ve minima kalıbı daha yüksek ve daha yüksek hızlanma voltajları için tekrar eder.
Model daha sonra, daha fazla esnek olmayan çarpışmalar tüpün uzunluğuna takıldıkça tekrarlanır.
Franck-Hertz eğrilerinin minimumlarının eşit aralıklı olduğu görülebilir (deneysel belirsizlikler engellenir). Minimin bu aralığı, gaz atomlarının uyarma enerjisine eşittir (cıva için bu 4.9 eV’dir). Eşit aralıklı minimanın gözlenen şekli, atomik enerji seviyelerinin ayrık olması gerektiğinin kanıtıdır.

Kaynakça:
https://owlcation.com/stem/The-Frank-Hertz-Experiment
https://www.britannica.com/science/Franck-Hertz-experiment

Yazar: Meltem Yıldırım

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here