ניסוי פרנק-הרץ

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

ניסוי פרנק-הרץ היה אחד הניסויים הראשונים שהצביעו על קוונטיזציה של רמות האנרגיה של האטום. תוצאות הניסוי היוו חיזוק למודל האטום של בוהר וזרז להתפתחות תאוריית הקוונטים שהייתה בחיתוליה. את הניסוי ביצעו ג'יימס פרנק וגוסטב הרץ בשנת 1913. בשנת 1925 קיבלו פרנק והרץ פרס נובל לפיזיקה על ניסוי זה (ועבודות נוספות).

[עריכה] רקע

בתחילת המאה ה-20 הצטברו עדויות ממקורות שונים שהראו על קוונטיזציה של קרינה אלקטרומגנטית. בעיות כגון ספקטרום הפליטה של חומרים שונים והאפקט הפוטואלקטרי הראו שקרינה אלקטרומגנטית נפלטת באורכי גל מסוימים, בדידים, שלא ניתן היה להסביר באמצעות התאוריות הקלאסיות. בניסיון להסביר את ספקטרום הפליטה של אטום המימן, בנה נילס בוהר מודל אטום שבו יש לאלקטרון רמות אנרגיה בדידות. למרות שחיזויי המודל היו בהתאמה כמעט מושלמת לתוצאות הניסוייות, לא התגלתה עד אז קוונטיזציה שלא בקרינה אלקטרו-מגנטית ולכן הנחת המודל על קוונטיזציה של רמות האנרגיה של אלקטרון הייתה בעייתית (היו טענות שהקרינה עצמה קוונטית ולא רמות האנרגיה של האטום). ניסוי פרנק-הרץ היה הניסוי הראשון שהראה קוונטיזציה של רמות האנרגיה באטום, שלא באמצעות קרינה אלקטרומגנטית, ומכאן חשיבותו הרבה.

[עריכה] מבנה הניסוי

בניסוי פרנק–הרץ מעבירים קרן אלקטרונים דרך שפופרת המכילה אדי כספית בצפיפות נמוכה. בקצה אחד של השפופרת נמצאת קתודה שפולטת את האלקטרונים בפליטה תרמיונית. סריגים טעונים חיובית במתח (הסריג מסומן באות G בשרטוט) יוצרים שדה חשמלי שמאיץ את האלקטרונים לכיוון האנודה בקצה השני של השפופרת. על ידי שינוי מתח הסריגים הטעונים חיובית ניתן לשלוט בהאצת האלקטרונים ובאנרגיה הקינטית שלהם מתוך הקשר , ‏ - מטען האלקטרון, - מסתו, ו- - מהירותו.

באנודה נוצר זרם שהוא פרופורציוני למספר האלקטרונים המגיעים אליה ליחידת זמן. ליד האנודה סריג טעון שלילית שמטרתו למנוע פגיעת אלקטרונים בעלי אנרגיה קינטית נמוכה באנודה.

לפי מודל בוהר, האלקטרונים באטומי הכספית אינם יכולים להימצא בכל מצב אנרגטי שהוא, אלא יש להם אוסף מצבים מסוימים (ואנרגיות מתאימות) שביניהם הם יכולים לעבור. לכן יכול כל אטום לבלוע או לפלוט אנרגיה רק בשיעור המתאים להפרשים בין רמות האנרגיה המתאימות לאלקטרונים שנמצאים במצבים שונים. לפי המינוח המקובל, כאשר אלקטרון באטום עולה ברמת אנרגיה, האטום עבר "עירור". מצב מעורר אינו יציב, ובשלב כלשהו האלקטרון ירד ברמת האנרגיה, תוך פליטת פוטון שהאנרגיה שלו (הפרופורציונית לתדירותו) שווה להפרש האנרגיות בין הרמות. הואיל ומסת האלקטרון זניחה ביחס למסת האטום, תנע האטום כמעט ולא משתנה בהתנגשות בין אלקטרון לאטום ולכן האנרגיה הקינטית שמתווספת לאטום היא זניחה. לפיכך, אם האלקטרון מאבד אנרגיה בהתנגשות, היא נבלעת באטום, ולכן אלקטרון שפוגע באטום יכול לאבד אנרגיה רק בשיעורים בדידים (של אנרגיות העירור של האטום) אלו בלבד. אם לאלקטרון אין מספיק אנרגיה קינטית לעורר את האטום, תהיה ההתנגשות אלסטית לחלוטין והאלקטרון יאבד אנרגיה בשיעור זניח.

כאשר מגבירים את מתח האצת האלקטרונים, האנרגיה הקינטית שלהם גדלה. בתחילה האנרגיה נמוכה מכדי לעורר אטום, ולכן ההתנגשויות בין קרן האלקטרונים לבין האטומים יהיו אלסטיות, והאלקטרונים יתפזרו לכל הכיוונים, אך מתח ההאצה ימשוך אותם חזרה לכיוון האנודה. עם הגברת מתח ההאצה מגיעים יותר אלקטרונים אל האנודה והזרם באנודה גדל עם במתח ההאצה. בשלב כלשהו מגיעים האלקטרונים לאנרגיה מספקת לעורר את אטומי הכספית לקראת סוף מסלולם. לאחר עירור כזה, נותרים האלקטרונים שמתנגשים באטומים באנרגיה פחותה, ולא יגיעו אל האנודה. לכן תהיה ירידה בכמות האלקטרונים המגיעים אל האנודה ביחידת זמן, ולכן גם בזרם. כאשר ממשיכים להגביר את מתח ההאצה מקבלים יותר ויותר אלקטרונים אנרגיה מספקת לעורר את אטומי הכספית, ובשלב מוקדם יותר במסלולם, עד שבאופן סטטיסטי מגיעים לרוויה של התנגשויות פלסטיות והזרם מתחיל שוב לעלות. בהעלאה נוספת של מתח ההאצה מקבלים האלקטרונים מספיק אנרגיה קינטית להתנגשות שנייה וחוזר חלילה. הפרש מתחי ההאצה של שיאי הגרף שווה לערך אנרגית העירור של האטום.

[עריכה] קישורים חיצוניים

• Advanced Physics Labs
• סרטון מפורט המציג את ניסוי פרנק-הרץ, חלק ראשון וחלק שני, מאת שולמית קפון, המחלקה להוראת המדעים במכון ויצמן