프랑크-헤르츠 예비 레포트학과:학번:이름:담당교수님:과목:제출날짜1.제목: 프랑크-헤르츠 실험2. 목적1914년 프랑크와 헤르츠가 수은기체에 전자를 충돌시켜서 수은의 에너지상태가 양자화 되어있는 것을 확인한 역사적인 실험을 재현한다. 실험을 통하여 에너지준위와 여기에너지, 탄성 충돌 등의 개념을 익히고 원자가 양자화 되어 있는 모습을 거의 직접적으로 관찰한다.3. 이론 및 원리원자가 전자와 충돌 할 때 특정한 양의 에너지만을 주고 받는다. 이 특정한 에너지는 바로 그 원자가 가지고 있는 스펙트럼의 관측으로부터 얻어진 전자의 에너지 준위의 차이에 해당하는 것이다.이련의 에너지 준위는 모든 원자들의 공통적인 특성이다. 한정된 공간 내에 전자를 가두면 파동함수의 가능한 값이 제한을 받게 되며 에너지는 한정된 값을 가진다. 원자는 물질이 고유의 정지질량을 갖는 기본 입자들로 이루어져 있으며, 전하는 언제나 +e 또는 -e의 정수배로 나타난다. 진동수 v의 전자기파는 에너지 hv를 갖는 광자의 흐름으로 보이며 원자와 같이 입자들이 안정된 계를 이루면 오직 특정한 에너지 값만을 가질 수 있다.원자를 바닥에서 높은 에너지 준위로 여기 시켜서 복사선을 방출할 수 있게 하는데는 두가지 방법이 있다. 다른 입자와 충돌시키는 것으로 충돌이 일어나는 동안 그들의 운동에너지 중의 일부가 원자에 의해 흡수되어 들뜨게 된다. 들뜬 원자가 한 개나 그 이상의 광자를 방출하면서 바닥상태로 돌아오는데 평균초 걸린다.전자나 원자 이온을 충분한 운동에너지를 갖도록 강한 전기장을 가속시켜서 충돌을 통해 기체 원자를 들뜨게 한다. 충돌하는 입자들의 질량이 같을 때 에너지의 전달은 최대가 되므로, 이와 같이 전하는 경우 원자내의 전자 에너지를 공급하기 위해서는 전자보다 이온이 더 효과적이다.수소원자가 n=2인 여기상태에서 n=1인 바닥상태로 떨어질때 121.7nm의 광자를 방출하므로, 역으로 수소원자에 의한 파장이 121.7nm인 광자의 흡수는 처음 n=1에 잇던 원자를 n=2의 상태로 들뜨게 할 것이다.필라멘트를 가열하면 음극에서 방출된 열전자는에 의해 가속되어 그 운동에너지가 증가하게 된다. 이 전자가를 통과한 후 양극과의 역전압에 의해 약간 감속되어 양극에 흡수된다.에 걸리는 가속전압을 증가 시키면 더 많은 전자가 양극에 도달하여 플레이트 전류는 증가한다. 만일 전자가 관속에 들어 있는 기체 원자와의 충돌에서 그 운동에너지가 원자의 내부에너지로 흡수되지 않는다면 전자의 질량이 원자의 질량에 비해서 월등히 작은 관계로 전자의 운동에너지는 거의 변화가 없을 것이다. 또한 전류의 양에는 크게 변화가 없을 것이다. 운동에너지를 거의 잃지 않기 때문에 전자의 운동방향만 바뀔 것이다. 그러나 그 충돌에서 에너지를 잃어버린다면 (비탄성충돌)전류는 줄어들 것이다.관속에 들어있는 원자는 바닥상태의 에너지로부터 띄엄띄엄한 에너지준위를 갖고 있기 때문에 에너지 준위의 차이에 해당하는 양만큼의 에너지를 가진 것을 만났을 때 그 에너지를 흡수하여 높은 에너지 상태로 올라간다. 이런 조건이 충족될 때 전자와 완전비탄성충돌을 하게 되어 전자의 모든 운동에너지를 빼앗게 된다.단어정리-에너지 준위 : 각 전자 궤도는 원자핵과 그 주위를 회전하는 전자 등으로 구성되어 있지만 제각기 보유하는 에너지의 크기로 정해지는데, 이때 그 에너지의 높고 낮음을 나타내는 값. -여기에너지 : 바닥상태에서 들뜬상태로, 또는 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 들뜨게 만드는 에너지를 말한다. 이 실험의 결과를 토대로 계산할 수 있다.
