Esperimento di Franck

Esperimento di Franck-Hertz
Storicamente in questo esperimento fu dimostrata definitivamente (1914) la quantizzazione dei
livelli energetici degli atomi. Nell'esperimento (Premio Nobel 1925) un fascio di elettroni di energia
nota e regolabile incide su un gas atomico rarefatto, all'interno di una valvola elettronica. Si misura
la corrente anodica in funzione della tensione applicata. A determinati valori di tale tensione, si
hanno deviazioni dal normale andamento monotonamente crescente, nella forma di minimi profondi
ed equispaziati (le oscillazioni di F-H). Questi minimi sono dovuti al transferimento di energia dagli
elettroni agli atomi, dovuto alle collisioni; questo trasferimento avviene solo quando gli elettroni
hanno una specifica energia cinetica, ossia per un ben determinato valore della tensione anodica. Il
primo minimo si avrà quando gli elettroni avranno acquistato l'energia giusta immediatamente
prima di arrivare all'anodo. Il secondo quando avranno la possibilità di trasferire energia due volte,
la prima a metà del percorso, la seconda alla fine, etc. Per vedere le oscillazioni e aumentare il
contrasto (la profondità del minimo), viene usata una griglia ritardante, posta immediatamente
prima dell'anodo. Il controllo del potenziale di questa griglia è essenziale per la riuscita
dell'esperimento. Un'altra griglia di controllo è posta in prossimità del catodo, con lo scopo di
ottimizzare la qualità del fascio elettronico. Infine, il gas rarefatto si ottiene semplicemente avendo
messo nella valvola una goccia di mercurio; alla temperatura ambiente la pressione di vapore è
troppo bassa e dunque il gas di atomi che riempie il vuoto, altrimenti spinto, della valvola è
comunque troppo rarefatto perché le poche collisioni influenzino il cammino degli elettroni. La
valvola viene perciò messa in un fornetto e riscaldata ad una temperatura opportuna: la densità del
gas di mercurio aumenta, e le oscillazioni appaiono. Chiaramente anche in questo caso esisterà una
pressione di vapore, e dunque una temperatura ottimale: per temperature troppo basse non ci sono
abbastanza atomi, per temperature troppo alte le troppe collisioni disgregano il fascio elettronico.
Valvola di F-H
Franck-Hertz Data for Mercury
This original
Franck-Hertz
data shows
electrons losing
4.9 eV per
collision with
mercury atoms.
It is possible to
observe ten
sequential
bumps at
intervals of 4.9
volts.
The Franck-Hertz
display for mercury
shown at left was
formed by sweeping the
accelerating voltage and
recording current vs
voltage on an
oscilloscope in x-y
mode. The measured
separation of the peaks
corresponds to the
excitation energy of the
involved mercury
transition.