[물리실험] 플랑크-헤르츠 실험

플랑크-헤르츠 실험

1. 목 적

수은 기체에 전자를 충돌시켜서 수은의 에너지 상태가 양자화 되어 있는 것을 확인한다. 실험을 통하여 에너지 준위와 여기에너지, 탄성충돌등의 개념을 익히고 원자의 양자화, 즉 에너지준위 불연속성을 확인한다. 이 실험을 통하여 원자의 에너지 준위가 정말로 존재하는가 하는것을 증명한다

2. 이 론

보어의 수소 원자모형은 두가지를 가정한다. 첫째는 전자가 안정되게 (즉 전자기파를 방출하지 않고) 회전할 수 있는 궤도가 존재한다는 것이고 둘째는 전자가 두 안정된 궤도 사이를 이동할 때만 전자기파를 방출하거나 흡수한다는 것이다. 만일 전자가 높은 에너지에 대응하는 궤도에서 낮은 에너지에 대응하는 궤도로 이동한다면 두 에너지의 차이에 해당하는 에너지를 전자기파의 형태로 방출하고 그 반대이면 차이에 해당하는 에너지를 전자가 흡수한다는 것이다.

그림 1.

한편 플랑크가 흑체복사를 연구하며 제안하고 아인슈타인이 광전효과를 설명하려고 확인한 에너지가 양자화 되어 있다는 (에너지가 플랑크 상수 단위로 띄엄띄엄 존재한다는) 점이 보어의 수소 원자모형에도 반영되어 있다. 즉 안정된 궤도에 대응하는 에너지가 아무 값이나 가질 수 있는 것이 아니라 이 띄엄띄엄한 값만을 가질 수 있다.
원자의 에너지 준위가 불연속적이라는 증거는 프랑크와 헤르츠가 압력이 낮은 상태의 기체 원자와 전자를 충돌시키는 실험으로 제시되었다. 여기서 사용된 기체 원자는 높은 온도로 가열된 수은 증기이다. 극판의 원자로부터 분리된 전자는 가속되어 어떤 에너지 값도 가질 수 있다. 이 실험을 통해 원자 안의 전자는 원자의 에너지 준위에 해당하는 단지 특정한 에너지 값만 가질 수 있다는 결론에 도달한다.
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