Esperimento di Frank-Hertz (1914)

In cosa consiste l’esperimento di Frank e Hertz? Perchè è importante in meccanica quantistica?

Scopriamolo assieme nelle prossime pagine!

Descrizione esperimento

FRANCK e HERTZ utilizzano un tubo riempito di atomi di mercurio legato con un filo che, riscaldato, per effetto termoionico, emette elettroni, che vengono attratti da una griglia carica positivamente.

Dopo la griglia c’è un collettore con potenziale leggermente inferiore rispetto a quello della griglia, che raccoglie solo gli elettroni che passano dalla griglia con una data energia cinetica, gli altri vengono fermati.

Franck e Hertz aumentano la differenza di potenziale tra il catodo e la griglia e misurano l’intensità corrente tra la griglia e il collettore (cioè misurano quanti elettroni arrivano al collettore).
Analizzano poi i dati raccolti e notano che:

• se aumenta la differenza di potenziale, aumenta anche la corrente fino a quando il valore del potenziale è di 4.9V
• a 4.9V c’è una caduta di corrente, cioè a 4.9V succede qualcosa che fa perdere all’elettrone parte della sua energia e di conseguenza l’elettrone non arriva al collettore e non si registra passaggio di corrente.
• Se il potenziale torna ad aumentare, aumenta anche la corrente
• a 9,8 (4.9 x 2) c’è un’altra ricaduta di corrente. in particolare a tutti i potenziali multipli di 4.9V c’è una caduta improvvisa di corrente

Deduzioni

I due scienziati deducono che fino a 4.9V gli elettroni non hanno energia sufficiente per eccitare l’atomo dunque l’elettrone urta elasticamente con l’intero atomo di mercurio (l’elettrone mantiene tutta la sua energia), essendo la massa dell’atomo maggiore di quella dell’elettrone.

Le particelle vengono poi accelerate dal campo elettrico.

Se aumenta la differenza di potenziale, aumenta il campo elettrico, aumenta la forza di cui risentono gli elettroni, aumenta la loro energia cinetica, sarà quindi maggiore il numero di elettroni che arriva al collettore

4.9V corrisponde all’energia che l’elettrone deve assorbire per passare a un livello più esterno. in questo caso non si ha un urto elastico, ma l’elettrone cede all’atomo di mercurio parte della sua energia, necessaria per eccitare l’atomo. L’elettrone non avendo sufficiente energia cinetica viene bloccato dal contro-campo elettrico e non arriva al collettore.

Aumentando ancora il potenziale, aumenta l’energia cinetica degli elettroni e, anche se cedono 4.9V all’atomo per eccitarlo, hanno comunque energia sufficiente per arrivare al collettore.

A 9.8V l’elettrone fa una doppia collisione, perde 4.9V scontrandosi con un primo atomo e altri 4.9V scontrandosi con un altro atomo. La corrente non cade a 0 poichè non tutti gli elettroni perdono completamente tutta l’energia.

Per avere la prova che davvero l’elettrone ha ceduto la sua energia per eccitare l’atomo bisognerebbe rilevare radiazione elettromagnetica con un energia (hf=4.9): quando un atomo torna allo stato normale emette luce.

L’esperimento è ritenuto fondamentale in meccanica quantistica poichè supporta il modello di Bohr. Mostra infatti che l’elettrone assorbe energia in modo quantizzato.

Questo era l’esperimento di Frank ed Hertz  😉
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