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전자기학 실험 - 프랑크헤르츠 실험
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실험 목적
수은 기체에 전자를 충돌시켜서 수은의 에너지 상태가 양자화 되어 있는 것을 확인한 프랑크 헤르츠 실험을 본 실험에서는 Ne관으로 대체하여 Ne의 에너지 준위와 여기에너지, 탄성충돌의 개념을 익히고 원자가 양자화 되어 있는 모습을 거의 직접적으로 관찰한다.
실험 원리
1914년 프랑크와 헤르츠는 원자가 전자와 충돌할 때 특정한 양의 에너지만을 주고 받는 다는 사실을 발견하였다. 이 특정한 에너지는 바로 그 원자가 가지고 있는 스펙트럼의 관측으로부터 얻어진 전자의 에너지 준위의 차이에 해당하는 것이 되어, 물질의 양자화에 대한 보다 직접적이고 확고한 증거가 되었다.
그림1 프랑크-헤르츠 실험장치의 회로도
그림1은 프랑크 헤르츠의 실험장치의 회로도이다. 그림에서 네모로 표시된 관속은 수은증기를 희박하게 넣어 봉인한 것이다. 그 내부에는 진공관처럼 필라멘트, 음극(cathode: K로 표기), 그리드(grid: G로표기), 양극(plate: P로표기)등을 배치해 두고 전압을 걸어 둔 상태다.
필라멘트를 가열하면 K에서 방출된 열전자는 제 2 그리드에 의해 가속되어 그운동에너지가 증가하게 된다. 이 전자가 제2그리드를 통과한 후 P와의 역전압 V0에 의해 약간 감속되어 P에 흡수 되는데 그 정도는 전류계의 전류를 측정함으로써 알 수 있다. 제2 그리드에 걸리는 가속전압을 증가 시키면 더 많은전자가 P에 도달하여 플레이트 전류는 증가한다. 만일 전자가 관속에 들어 있는 기체 원자와 충돌해서 그 운동에너지가 원자의 내부에너지로 흡수되지 않는다면 전자의 진량이 원자의 질량에 비해서 월등히 작은 관계로 전자의 운동에너지는 거의 변화가 없을 것이다. 운동에너지를 거의 잃지않기 때문에 전자의 운동방향이 바뀔 뿐이므로 전류의 양에는 크게 변화가 없을 것이다. 그러나 그 충돌에서 에너지를 잃어버린다면 (전자의 운동에너지를 잃어 버리는 경우 그 잃어버린 에너지는 당연히 원자에 흡수되고 이러한 충돌을 비탄성 충돌이라한다)전류는 줄어들 것이다.
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2013.05.08
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