[일반물리학실험]Franck - Herts(프랑크-헤르츠) 실험

실험 목적

1914년 프랑크와 헤르츠가 수은기체에 전자를 충돌시켜서 수은의 에너지상태가 양자화 되어있는 것을 확인한 역사적인 실험을 재현한다. 본 실험을 통하여 에너지준위와 여기에너지, 탄성충돌등의 개념을 익히고 원자가 양자화 되어 있는 모습을 거의 직접적으로 관찰한다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

원자가 전자와 충돌 할 때 특정한 양의 에너지만을 주고받는다는 사실이 발견되었다. 이 특정한 에너지는 바로 그 원자가 가지고 있는 스펙트럼의 관측으로부터 얻어진 전자의 에너지 준위의 차이에 해당하는 ‘양자화’된 값을 가지고 있다.

 

원자와 충돌한 전자가 운동 에너지의 일부 또는 전부를 그 원자에게 주고 원자를 바닥상태보다 높은 에너지 준위로 여기 시키는 것으로 해석할 수 있다. 이런 충돌을 운동 에너지가 보존되는 탄성(elastic) 충돌과 비교해서 비탄성(inelastic) 충돌이라고 한다.

전자의 임계 에너지는 원자를 가장 낮은 들뜬 상태로 올리는데 필요한 에너지와 같다. 그리고 나서, 가속 전압 V를 더욱 증가시키면 전류는 다시 증가한다. 왜냐하면, 전자들이 도중에서 비탄성 충돌을 하고 난 후에도 판에 도달할 수 있는 충분히 큰 여분의 에너지를 가지게 되기 때문이다. 마침내 또 다른 전류가 급격히 떨어지는 현상이 일어나는데, 이는 전자들에 의해 다른 원자들이 똑같은 에너지 준위로 여기 되기 때문에 생기는 것으로 해석된다. 가장 높은 전위차는 두 번 혹은 두 번 이상의 비탄성 충돌로 인해 생긴 것으로 가장 낮은 전위차의 정수배이다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) Betryebsgerat. Franck-Hertz Versuch. NEVA, Oven. Franck-Hertz Versuch. NEVA

2) X-Y Plotter. LEYBOLD-HERAEUS, 방안지

실험 방법

1. 실험 과정

1) Franck-Hertz 실험장치를 X-Y Plotter와 함께 설치하며 x축을 가속전압, y축을 출력전압에 연결한다.

2) Oven의 바이메탈 스위치를 180℃에 맞춘다.

3) Oven의 온다가 충분히 올라간 다음 Operating unit를 연결한다.

4) 동축 도선으로 collector전극과 증폭기의 출력을 연결하고 가속 전압의 (-)단자는 소켓 K와 연결한다.

5) 가속전압을 서서히 증가시키면서 파형을 그린다

6) 오븐의 온도를 140℃, 200℃가 되도록 한 후 실험5를 반복한다.

7) 실험이 끝난 후 모든 power를 off시킨 후 오븐을 마지막으로 off시킨다.

 

실험 결과

1. 결과 data

 

2. 결과 분석

(140℃일 때는 작은 눈금, 160℃일 때는 긴 눈금, 180℃일 때는 선분으로 표시하였다.)

온도

140℃

160℃

180℃

가속전압 (출력 극대)

0.53mV

1.06mV

1.55mV

2.07mV

1.02mV

1.54mV

2.05mV

2.65mV

1.08mV

1.53mV

2.04mV

2.55mV

Δ가속전압

0.53mV   0.49mV   0.52mV

0.52mV    0.51mV   0.6mV

0.46mV   0.5mV    0.51mV

평균

0.51mV

0.54mV

0.49mV

 

토의 사항

1. 실험 고찰

그래프를 보면 전체적으로 가속 전압이 증가함에 따라 전류는 증가하였으나 전자의 운동에너지가 수은 원자의 여기에너지와 같아지면 에너지가 흡수되어 전자의 에너지는 감소하게 되는 것을 확인할 수 있다. 전압을 계속 높여보면 전압이 여기에너지의 두 배쯤 될 때까지 전류는 다시 증가하고, 거의 두 배에 가까워질 때쯤 다시 감소하는 현상 또한 확인할 수 있다. 이를 해석하자면 집전판에 모여있던 전자들이 어느 수준의 에너지를 가지기 전까지는 대부분의 전자들이 수은 원자와 충돌하여도 에너지 손실을 보지 않아 가속전압-출력전압이 양의 함수를 보이는 듯 하지만 어느 순간 plate에 도달하는 전자들의 양의 줄어든다.

 

이 순간은 전자들이 충분한 에너지, 즉 원자를 들뜬 상태로 여기시키는 에너지를 가진 형태로 대부분의 에너지를 수은원자의 들뜸 과정속에 기여하게 되고 때문에 에너지를 잃은 전자들은 plate에 도달하지 못하게 되는 것이다. 하지만 아무리 전자들이 에너지를 잃어버린다 해도 가속전압을 높게하면 할수록 출력전압도 함께 높아진다. 그것은 아마도 높은 전압을 걸어주게 되면 많은 에너지를 얻게 되어 plate에 도달하는 것과 같을 것이라고 생각한다.

 

또한 온도에 따라 그래프가 다르게 나타남을 확인할 수 있는데 그래프의 극소값들이 대부분 같은 위치에 있는 것으로 보아 원자는 온도가 바뀌어도 양자화 되어있다고 생각해 본다. 또한 온도가 높아질 수록 가속전압에 대한 출력전압이 비교적 낮은데 이유는 온도가 높으면 원자들과 전자들이 활발하여 많은 충돌을 일으키게 되고 때문에 비교적 많은 원자들이 여기되며, plate에 도달하는 전자들이 적은 것이라 생각해 본다.

 

하지만 의문이 가는 것이 있다. 140℃일 때를 제외한 160℃, 180℃일 때는 초기 감소값이 비슷하지만 140℃일 때는 유난히 감소현상이 일찍부터 나타나 역시 일찍 종료 되었다. 추측하건대 온도가 높아짐에 따라 움직임이 많아진 원자들과 전자들이 많이 부딪히고 에너지 교환이 많아져 전자가 plate에 도달하기가 힘들기 때문이 아닐까 하고, 온도를 180 이상으로 올린다면 초기 극소값의 시작전압이 더 높아질 것이 아닐까 한다. 실험 때에는 그 이상의 온도는 측정하지 않았지만 다음에도 실험을 할 기회가 있다면 안전한 상태에서 그 이상 온도로 실험하여 확인해 보고 싶다.

 

극대값의 간격들에서 오차를 보인이유를 살펴보자면 가장큰 원인으로는 정확한 극대값에 대응하는 X값인 가속전압을 눈으로 찾아내기가 어려웠으며, 온도가 정지한 상태에서 plotter를 가동해야 했지만 정확한 온도를 맞추기가 어려워 순식간에 실험을 할 수 밖에 없었다. 또한 극소값을 우선으로 찾아 비교하는 것도 좋은 방법인 것 같다.