[물리실험] 프랑크-헤르츠 실험(Franck-Hertz Experiment)

[물리실험] 프랑크-헤르츠 실험(Franck-Hertz Experiment)

1. 실험 과정 및 느낀점

현대물리학 수업시간에 이론적으로만 배웠던 프랑크-헤르츠 실험을 직접 해볼 수 있다는 것에 큰 기대를 가지고 임했다. 복잡한 배선과 컴퓨터 프로그램작동에 어려움을 겪었지만, 여러 번의 반복 끝에 실험과정은 마스터를 했다. 하지만, 실험결과가 전 조에서 한 것처럼 나오지 않았다. 과정은 잘못된 것이 없다고 생각했지만, 결과가 나오지 않는 것이 해석이 되지 않았다. 다른 실험도 해야 하고, 다음 조에게 실험을 넘겨줘야 하기 때문에 결국 만족스러운 결과를 보지 못하고 마치게 되었다.

이번 실험보고서는 앞의 조가 한 결과를 바탕으로 했으며, 실험의 역사적 배경과 원리, 그리고 참고자료 위주로 작성했다.

2. 원리

[프랑크 헤르츠 실험]

프랑크와 헤르츠는 1914년 수은 기체에 전자를 충돌시켜서 수은의 에너지 상태가 양자화 되어 있는 것을 실험으로 확인하였다. 실험을 통하여 에너지 준위와 여기에너지, 탄성충돌등의 개념을 익히고 원자가 양자화 되어 있는 모습을 거의 직접적으로 관찰할 수 있었다.

  1900년대에 들어와서 원자의 구조에 대한 연구가 활발하게 이루어 졌다. 원자 모델에 대한 여러가지 가설들이 제안되었고 바로 실험에 의하여 확인되었다. 1910년대 초반에 드디어 원자의 형상에 대한 실체를 잡을 수 있었다. 라더퍼드(Rutherford)에 의하여 실험적으로 규명된 원자의 모형은, 마치 태양계에서 태양을 중심으로 하여 여러 행성들이 돌고 있는 것처럼, 무겁고 양전하를 띄고 있는 원자핵을 중심으로 하여 전자가 돌고 있다는 것이다. 그러나 그 당시에 이미 완전히 정립되어 의심할 여지가 없는 전자기학 이론에 따르면 궤도를 돌고 있다는 전자는 안정된 상태로 존재할 수가 없어서 불과 10-7초 이내에 핵에 포획되어 버린다는 문제점이 생겼다.

1913년 보어(Bohr)가 원자의 결합 상태에 대한 양자화 가설을 내놓아 이러한 문제점을 피해나갔고, 더우기 이전에 실험적으로 잘 알려졌던 원자의 방출, 흡수 스펙트럼에 대해 완전하게 설명을 할 수 있었던 것이다. 핵 주위를 돌고 있는 전자가 가질 수 있는 에너지는 연속적이 아닌 띄엄띄엄한 값이라는 결과는 지금까지의 고전론적인 사고방식에 일대 전환을 가져오게 하였다. 원자의 세계는 고전역학으로 설명을 할 수 없어서, 전혀 새로운 체계의 접근 방식이 필요하게 되었고 양자역학이 만들어 지게 된 것이다.

보어의 원자 가설이 나온 1년후, 1914년 프랑크(Franck)와 헤르츠(Hertz)에 의하여 원자가 전자와 충돌할 때 특정한 양의 에너지만을 주고 받는 다는 사실이 발견되었다. 이 특정한 에너지는 바로 그 원자가 가지고 있는 스펙트럼의 관측으로 부터 얻어진 전자의 에너지 준위의 차이에 해당하는 것이 되어, 물질의 양자화에 대한 보다 직접적이고 확고한 증거가 되었다.

실험 과정 : 위의 실험 장치에서 수은 증기가 들어 있는 진공관의 그리드 G의 가속 전압이 4.9V 가 될 때까지는 전압이 증가함에 따라 양극 전류가 증가하다가 4.9V 가 되면 갑자기 양극 전류도 감소하게 된다. 이러한 현상은 가속 전압을 계속해서 증가시키면 양극 전류도 또 다시 증가하다가 4.9V 의 배수인 9.8V , 3배인 14.7V 등으로 될 때마다 양극 전류는 다시 현저하게 감소하는 주기성이 나타나게 된다.

실험 결과 : 위의 실험 결과는 그림에 나타난 그래프와 같다. 그리고 이와 같이 가속 전압이 4.9V 가 될 때 마다 전류가 현저히 감소하는 현상이 생기는 것은 그리드 전압이 4.9V보다 낮을 때에는 전자와 수은 원자의 충돌에서 전자가 에너지를 잃지 않고 양극으로 끌려가므로 그리드 전압이 증가함에 따라 양극 전류도 증가하게 된다. 그러나 전압이 4.9V가 되면 전자의 에너지는 4.9eV가 되며 이 때 수은 원자와 충돌할 때 수은 원자가 4.9eV의 에너지를 가진 전자를 흡수하게 되어 전자의 수는 급격히 감소하므로 양극 전류의 세기는 현저하게 떨어지게 되는 것이다.

실험 결과의 해석: 전자가 수은 원자에 흡수되는 것은 전자의 에너지가 4.9eV, 9.8eV, 14.7eV등으로 될 때와 같이 전자의 에너지가 4.9eV의 정수배일 때마다 나타나는 것이라 볼 수 있다. 이렇게 하여 프랑크-헤르츠의 실험은 고전 물리 이론으로 서는 증명할 수 없었던 에너지 준위의 불연속성을 실증으로 보여 주게 되었고 이로 인해 보어의 원자 모형 이론은 타당성을 갖게 해 주었다.

3. 준비물

프랑크-헤르쯔 실험세트
컴퓨터(측정 프로그램이 설치된 것)

4. 실험과정 및 결과

① 실험기구를 회로도를 보고, 위에서 처럼 setting한다.
② tube는 처음 사용시 최고의 온도로 높인 후 10분 이상 가열한다.
③ 온도측정은 thermocouple을 anode 주위에 둔다.
④ 측정을 위해 tube의 온도는 160℃~220℃
⑤ 온도를 올릴때 bimetal에서 소리가 나므로 이때 시계방향으로 조금씩 돌려가며 온도를 높인다.
⑥ 온도가 측정온도에 도달하면 15분 정도 온도변화가 없는 상태에서 대기한다.
⑦ 전원공급기를 50V와 전압계가 0.5V가 되도록 12V 스위치를 조절한다.( 이때 스위치는 short상태 )
⑧ 증폭기의 factor는 10nA로 맞춘다.( 상태에 따라 10nA~10μA )

컴퓨터 측정
① 컴퓨터의 prameter들을 맞춘 후 continue에 클릭한다.
② start measurement를 클릭한 후 스위치를 open시킨다.
③ 전압이 30V에 도달하면 stop measure를 클릭한다.

- 실험결과 및 논의

왜 Hg 나 Ne를 쓰는가?
- 단원자 분자이므로 진동모드가 적어서 실험 재료로 적합하다.


가속전압을 서서히 증가 시키는 원리는?

실험에서 신호대 잡음비의 관계(역전압과 실험결과)
신호를 잡음보다 어느 정도 크게 해 주어야 자료를 확대할 때 좋은 그래프를 얻을 수 있다.
- 위 실험에서는 역전압을 조절하면, 잡음을 줄일 수가 있다.


수소 원자가 이온화 되지는 않을까?

200C에서 수은 원자가 이온화 되려면, 약 10eV 가 필요하다.

수소원자가 없을 경우 그래프는 어떻게 될까?

실제로 열전자들은 어떻게 방출되는가?

② 전자의 에너지가 4.9eV가 될 때 마다, 전자는 수은원자의 충돌로 인하여 그 에너지를 잃게 되어 수은 원자는 들뜬 상태가 되고 플레이트전류가 급격하게 감소하게 됨을 알 수 있다.
③ 역전압 증가 시 이 결과는 수은 원자에 4.9(eV)의 정수배인 불연속적인 에너지 준위가 존재한다는 사실을 밝혀냈다.
④ 전자의 속도가 임계속도 이상일 때 4.9(eV)의 정수배 만큼 에너지를 주고 남는 에너지를 가지고 운동하여 양극에 도달한다.

원자는 처음부터 바로 에너지를 받아들이는 것이 아니고 어느 한계이상이 되어야만 에너지를 받아들여 들뜬 상태가 되고 들뜬 상태->바닥상태로 되며 전자기파를 방출 할 수 있다.

◆ 여기서 원자가 받아들이는 에너지는 선택적이며 이는 원자의 에너지 준위가 불연속적으로 되어있음을 의미한다.

• 프랑크-헤르츠 실험의 가상 시뮬레이션을 볼 수 있는 곳

https://web.archive.org/web/20090210021135/http://phys.educ.ksu.edu/vqm/free/FranckHertz.html

Franck-Hertz Experiment

2021.09.30 - [물리실험] 광전 효과(photoelectric effect)

2021.10.03 - [물리실험] 포화흡수분광