에너지의 양자화

프랑크-헤르츠 실험

원자의 양자화를 직접 관측한 최초의 실험

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헤르츠(G. Hertz: 1887-1975)_ 최초의 인공 전자기파를 만든 헤르츠(H. Hertz)의 조카로서 프랑크와 함께 물질이 양자화된 것을 최초로 확인했다. 그림은 이를 기념해서 독일에서 만든 우표로 실험장치와 함께 결과 그래프가 나타나 있다. 헤르츠는 공동연구자 프랑크와 함께 1925년 노벨물리학상을 받았다.

보어의 이론이 나온지 1년 후인 1914년 프랑크(J. Franck)와 헤르츠(G. Hertz)는 아래 그림과 같은 장치를 이용해서 원자의 에너지 준위가 띄엄띄엄하게 양자화 되어 있다는 것을 직접 측정할 수 있었다.

실험에서 이들은 수은 증기를 사용하였다. 실험장치에서 발생된 전자는 수은 원자와 충돌하게 되는 데 보통의 경우 탄성충돌을 하기 때문에 수은보다 훨씬 가벼운 전자는 거의 운동에너지를 잃지 않는다. 그러나 장치의 가속전압을 점차 증가시켜 전자의 에너지가 어느 값에 이르게 되면 갑자기 전류가 줄어드는 데 이는 전자가 수은과 에너지를 잃어버리는 충돌을 하는 것으로 이해할 수 있다. 즉, 수은의 바닥상태에서 첫째의 들뜬 상태로 여기시킬 수 있는 에너지를 가진 전자가 그 에너지를 다 수은에 전달하는 비탄성충돌을 하는 것이다. 따라서 가속전압과 전류의 관계로부터 여기에너지를 알아낼 수 있게 된다.

실제로 가속전압이 4.9 V 부근에서 처음으로 전류가 줄어드는 것을 관찰할 수 있었고, 동시에 관 내부에서 253.9 nm의 스펙트럼이 수은증기로부터 방출되는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 전자에 의해 여기된 수은이 다시 바닥상태로 되면서 방출하는 빛으로 보어의 가설이 보다 직접적으로 확인된 최초의 실험이었다.

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