Esperimento di Franck e Hertz
scopo
L’esperimento fisico condotto da Franck e Hertz ha l’obbiettivo di
verificare il modello atomico introdotto da Bohr, attraverso la
misura della quantizzazione dei livelli energetici in un atomo di
un materiale in forma gassosa per mezzo di elettroni accelerati
da una differenza di potenziale.
Richiami teorici
Bohr fu il primo fisico in grado di dedurre lo schema dei livelli elettronici di un atomo, ed a
introdurre il concetto di orbite stazionarie, dimostrò appunto che l’energia di un elettrone
atomico è quantizzata e formulò i tre seguenti e fondamentali postulati:
1. nell’atomo esistono orbite stabili in cui si muove l’elettrone e che possono essere scritte
mediante la fisica classica.
Assumendo come fatto empirico il modello planetario dell’atomo di Rutherford
2. La transazione dell’elettrone da un’orbita con E1 a un’orbita con energia E2 avviene solo per
assorbimento o emissione di quanto di energia hf=| E1 - E2 |.
Per semplicità si consideravano orbite circolari. E la stessa energia dell’elettrone dipendeva
dall’orbita in cui si trovava. Questa rimaneva costante fino a che un elettrone passava da un’orbita a
un’altra emettendo o assorbendo energia
3. Il momento angolare dell’elettrone può essere solo un multiplo intero di h|(2 𝜋)
Le serie spettrali dimostrano che un atomo emette solo e assorbe solo fotoni con energie discrete . E
questo lo convinse di una discretizzazione dei livelli energetici di un atomo
apparato sperimentale
1.
2. Tubo di Frank-Hertz con
al suo interno il gas neon
Alimentatore
d.d.p’’
d.d.p’
3. Oscilloscopio
d.d.p’’’
catodo
anodo
Griglia di
controllo
Griglia
acceleratrice
Il catodo una volta riscaldato libererà elettroni. La griglia di controllo ha il compito di calcolare la quantità
di elettroni che passa tra il catodo e la griglia acceleratrice (I). L’accelerazione subita dagli elettroni la
possiamo controllare tramite una tensione variabile ( Ua max ). Un elettrometro posto dopo la seconda
griglia misurerà la quantità degli elettroni che arrivano all’anodo di minimo 1eV.
svolgimento
1.
Osservazione quantitativa delle emissioni luminose
nel tubo
- Accensione dell’alimentatore e conseguente rilascio degli
elettroni dal catodo riscaldato
- Aumentando la tensione di accelerazione all’interno delle
due griglie si fornisce energia cinetica agli elettroni
Si creano delle zone luminose. Perché?
Gli elettroni trasferiscono la loro Ecin agli atomi di neon che hanno scontrato eccitandoli.
Gli elettroni dell’atomo eccitato, tornato al loro stato iniziale rilasciano radiazioni
luminose
Abbiamo successivamente osservato che aumentando lentamente la tensione
di accelerazione (d.d.p), inizialmente la zona luminosa si abbassa (avvicinandosi
sempre più al catodo) e successivamente il crearsi di altre zone luminose
Questo accade perché l’elettrone acquista più velocemente una certa quantità di
Ecin da trasferire all’atomo di neon. Inoltre poiché essendo sottoposto a una
grande differenza di potenziale lo stesso elettrone è in grado di acquistare
nuovamente Ecin da trasmettere.
2. Misure con oscilloscopio
-lo scopo di utilizzare questo strumento è quello di
misurare l’andamento della corrente in funzione della
tensione di accelerazione degli elettroni.
-Otteniamo un grafico di questo genere:
Quantità di
elettroni
mA
Momento
in cui
avviene
l’urto
Da questo grafico possiamo notare che aumentando
la tensione acceleratrice anche la corrente
aumenta, fino a che l’elettrone emesso da catodo
raggiunge una certa energia che trasmette all’atomo
colpito, iniziando così una caduta nel grafico.
Successivamente la corrente aumenta nuovamente
per poi esserci un’altra ricaduta. I picchi sono tutti
posti a una distanza uguale.
eV
Questo corrisponde al 1° livello
energetico dell’atomo
Eccitazione
atomo
risultato
•
•
•
i picchi sono posti tutti alla stessa distanza perché un atomo può assorbire
determinate quantità di energia
Le cadute di corrente sono causate dall’urto anelastico dell’elettrone che perdendo
tutta la sua energia non riesce a oltrepassare la seconda griglia
Le emissioni di luce hanno esattamente la stessa energia che l’elettrone cede
all’atomo
Quindi un atomo risulta essere capace di assorbire una certa quantità di
energia per poi liberare un fotone con la stessa energia
