[일반물리학실험]프랑크-헤르츠(Franck - Herts) 실험 2부

실험 기구 및 장치

1. Frank-Hertz 실험장치의 구성 및 규격

프랑크-헤르츠 실험 장치(SG-6142)

① 프랑크-헤르츠 관(네온 봉 입)

② 전압계

③ 전류계

④ 오실로스코프 연결 단자

⑤ G1(2)-P전류 외부 측정 단자

⑥ G2-K 전압 외부 측정 단자

⑦ Heater 전류 측정 mode (측정 시 open mode, 미 측정 시 short mode)

⑧ Heater 전류 측정 단자

⑨ Gain 조절 손잡이 : 전류계의 전류 변동 조정 (지시 눈금이 위를 향하도록 하는 것이 적당)

⑩ 영점 조절 손잡이 : 전류계의 영점을 조정한다.

⑪ OSC-Meter mode 선택 스위치

⑫ EXT - INT mode 선택 스위치 : 외부 전압계와 전류계 사용시 EXT mode, 내부 전압계와 전류계 사용 시 INT mode

⑬ AUTO-MANU mode 선택 스위치 : X-Y 기록계를 사용할 때나, 자동으로 전압을 증가 시키며 전류의 변화를 관측할 때에는 AUTO mode를 선택하고, 수동으로 전압을 상승 시킬 때에는 MANU mode를 선택 한다.

⑭ G2-P 조절 손잡이 : 프랑크-헤르츠 관의 제2그리드와 프레이트 간의 전압 조절 손잡이

⑮ G2-K 조절 손잡이 : 프랑크-헤르츠 관의 제2그리드와 캐소드 간의 전압 조절 손잡이

ⓐ G2-K 조절 손잡이 : 프랑크-헤르츠 관의 제1그리드와 캐소드 간의 전압 조절 손잡이

ⓑ 전원 램프

ⓒ 전원 스위치

ⓓ Heater 전류 조절 손잡이

 

주의 사항

1. 프랑크-헤르츠 관을 다룰 때에는 관이 파손되지 않도록 주의하고, 관의 유리부분을 손과 직접 접촉되지 않도록 주의한다.

2. Heater전류는 많이 흐르지 않도록 하여 실험하도록 한다.

실험 방법

1. 실험 과정

① 장치는 다음과 같이 초기 설정을 한다. 전원 스위치는 OFF, 각각의 조절 손잡이는 최소, 모드 선택 스위치는 아래로 하여 각 각 MANUAL, INT, OSC를 선택한다. 우측 면에 있는 HEATER 전류 측정 선택 스위치는 SHORT로 선택한다. (OPEN으로 선택할 때에는 교류 전류계를 반드시 연결해야 한다.)

 

② 판넬면의 뚜껑을 열어 Frank-Hertz 관을 삽입 한다. (유리관을 삽입할 때에는 유리관에 지문이 생기지 않도록 주의하여야 한다.)

 

③ 전원코드를 연결하고, 전원 스위치를 켠다.

 

④ 영점 조절 손잡이(ZERO. ADJ)를 조절하여 전류계의 영점을 조절한다.

 

⑤ GAIN 조절 손잡이를 적당히 조절한다. (표시된 부분이 위쪽을 향할 때가 대체로 적합하다.) 이 조절 손잡이는 G2-P 전류의 증폭을 조절하는 손잡이 이다.

 

⑥ G2-K 조절 손잡이를 조절하여 전압계가 약 30V가 되도록 한다.

 

⑦ HEATER 전류 조절 손잡이를 중간으로 조절하고, G1-K 조절 손잡이를 조금씩 증가 시켰을 때 전류계의 눈금이 가장 잘 움직이는 위치에서 HEATER와 G1-K의 손잡이를 고정한다. (G1-K 손잡이를 조절하여도 전류계의 변화가 적으면, G1-K 조절 손잡이를 최소로 한 후, HEATER 전류를 조금 증가시키고, G1-K 조절 손잡이를 조절하여 보아라. 전류계의 눈김이 영역을 벗어나면 HEATER 전류를 감소 시킨 후, G1-K 조절 손잡이를 조절하여 보아라. 단, HEATER 전류는 될 수 있는 한 적게 하는 것이 좋다.)

 

⑧ 다시 G2-K 조절 손잡이를 최소로 하고, 영점 조절 손잡이를 조절하여 전압계의 영점을 조정한다.

 

⑨ G2-K 조절 손잡이를 돌려 전압계의 눈금이 30V가 되게 조정한다.

 

⑩ G2-P 조절 손잡이를 돌려 전류계의 눈금이 30㎂가 되게 조정한다. (현재 G1-K의 전압 조절에 의해 전류계의 눈금은 30㎂이상에 있을 것이다. 이때 G2-P를 이용해 전류계의 눈금을 30㎂가 되게 조정한다.)

 

⑪ G2-K 조절 손잡이를 최소로 하고, 다시 영점 조정한다.

 

⑫ 이제 G2-K 조절 손잡이를 돌려 전압을 증가 시키면서 전압에 따른 전류계의 눈금의 변화를 측정 기록한다. 그 결과를 이용하여 전압과 전류에 따른 그래프를 그린다. (X-Y 기록계를 이용한 측정 시 : Mode 선택 스위치를 Auto로 조정하고 G2-K 스위치를 최대로 하고, 전압과 전류의 변화를 관찰한다.)

 

⑬ 전압의 증가에 따른 전류의 증가 감소의 변화가 일어나지 않을 때에는 G2-P 조절 손잡이와 HEATER 전류 조절 손잡이를 조절한다.

실험 결과

1. 결과 분석 

본 실험에서는 수은(Hg)이 아닌 네온(Ne)를 사용하였다. 프랑크-헤르츠 실험 장치를 초기상태로 조정한다. 필라멘트를 적당히 가열한 후, G2-K(가속전압)을 0V부터 60V까지 2V씩 증가 시키면서 가속전압에 따른 전류를 측정해 보았다.

가속전압(V)	전류(㎂)	가속전압(V)	전류(㎂)	가속전압(V)	전류(㎂)
0	0	22	16	44	31
2	0	24	11	46	37
4	0	26	19	48	46
6	4	28	27	50	50
8	9	30	32	52	58
10	13	32	36	54	63
12	16	34	39	56	65
14	20	36	42	58	64
16	21	38	40	60	64
18	24	40	30
20	26	42	24

토의 사항

1. 실험 고찰

프랑크-헤르츠 실험은 수은원자 내에 4.9eV의 에너지준위차가 존재함을 밝혀낸 실험이다. 이번 실험에서는 수은이 아닌 네온을 사용하였고 네온 원자의 에너지준위차를 알아내어 원자 내에 에너지준위 차의 존재 즉, 원자 내부의 에너지가 양자화 되어있음을 밝히는 것이 실험의 목표이다.

 

본 실험에서 G2-K(가속전압)을 0V부터 60V까지 2V씩 증가시키면서 전류의 변화를 측정하여 위와 같은 그래프를 얻었다. 그래프에서 보듯이 전압이 증가할수록 전류도 증가하다가 어느 시점에서 전류는 갑자기 감소하고 다시 증가하다가 감소하는 모습을 확인할 수 있다. G2의 전압을 서서히 올려주면 전류가 서서히 증가하다가 G2 주위에서 전자의 운동에너지가 원자의 여기에너지로 되었을 때 의 전압에서 전자는 모든 에너지를 잃고 멈추게 된다. 그러면 전류는 감소한다. 그 전압을 초과하여 더 증가시키면 완전비탄성충돌이 일어나는 지점은 G2로부터 앞쪽으로 당겨진 곳이 되어 그곳에서부터 G2에 이르는 동안 다시 가속된다.

 

G2의 전압이 여기에너지의 두 배가 될 때까지 또다시 전류는 증가하지만 두 배가 되는 G2부근에서 두 번째 탄성충돌로 에너지를 잃어버리기 때문에 또다시 전류가 감소하는 것을 볼 수 있다. 이런 식으로 전압을 계속 증가시키면 세 번째, 네 번째 등에서도 같은 현상이 관측되므로 이들로부터 관속 네온원자의 여기에너지를 구할 수 있다. 실험 데이터를 보면 peak과 다음 peak의 전압값의 간격이 각각 16V, 20V임을 알 수 있다.

 

따라서 대략 18V의 전압 차이가 나고 1V의 전위차를 지나면서 얻게되는 에너지는 대략 18eV이다. 즉, 네온원자의 여기에너지는 18eV라는 실험 결과가 나왔다. 네온의 여기에너지는 16.5eV인데 약간의 오차가 있으나 네온의 여기에너지라 알려진 값과 가까운 측정값이 나왔다고 생각한다. 역시 오차의 원인이라 하면 전압계의 눈금을 딱 2V씩 증가시킬 수 없었고, 전류계의 눈금이 미세하지 않아 대략적인 값을 사용했기 때문이라 생각한다.

 

2. 결론

프랑크-헤르츠 실험은 1913년 Bohr의 원자구조론에 대한 실험적 근거를 찾기 위한 실험으로 프랑크와 헤르츠가 실시하였다. 보어의 원자구조론에 따르면 원자 내부의 전자는 특정한 에너지준위를 가지고 있다. 이 사실은 원자스펙트럼을 관찰하여 알 수 있는데, 프랑크-헤르츠 실험은 다른 방식으로 그 구조를 알고자 한 것으로 이후 양자역학의 발전에 기초가 되었으며 프랑크와 헤르츠는 이 공로로 1925년 노벨 물리학상을 수상한다.

 

이 실험은 전자와 원자를 충돌시켜 원자 내부의 전지의 들뜸을 통해 에너지준위의 존재를 입증하는 것이다. 이를 위해 열전자를 가속하여 전자빔을 만들고 이를 전압 기체 속으로 지나가게 하여 기체를 이루는 원자와 충돌하게 한다. 그리고 전자빔을 가속시키는데 따른 전류의 세기를 조사하면 전자가 원자와의 충돌에 의해 어떤 방식으로 에너지가 변화했는지 알 수 있다. 처음에는 가속전압이 증가할 때 전류도 함께 증가하지만 전압이 계속 증가하여 어떤 한계값에 도달하면 전류가 급격히 감소하게 된다.

 

여기서 가속전압이 더 증가하면 전류는 다시 증가하고 다시 가속전압이 제2차 한계값에 이르게 되면 전류가 급격히 감소하며, 이와 같은 전류의 증가와 감소가 반복된다. 이 결과는 어떤 특정 에너지보다 낮은 운동에너지를 가진 전자는 원자와 탄성충돌하여 운동방향만 바뀌고, 그 이상의 운동에너지를 가지는 전자는 원자와 충돌하여 에너지를 주고받는 비탄성충돌을 한다는 것을 알려준다. 이러한 한계가속전압은 각 원소에 대해 고유하며, 원자스펙트럼의 관측으로부터 얻은 전자의 에너지준위의 차이와 일치한다. 따라서 이는 양자론을 뒷받침하는 실험적 근거가 된다.

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