프랑크-헤르츠 실험

3. 초기 양자 이론

프랑크와 헤르츠는 1914년에 실험 결과를 발표했을 당시에는 이 사실을 알지 못했지만,^[14] 1913년에 닐스 보어는 원자 수소의 광학적 성질을 설명하는 데 매우 성공적인 원자 모형을 발표했다. 이 성질은 일반적으로 기체 방전에서 관찰되었으며, 특정 파장의 빛을 방출했다. 백열전구와 같은 일반적인 광원은 모든 파장의 빛을 방출한다. 보어는 수소에서 방출되는 파장을 매우 정확하게 계산했다.^[6]

보어 모형의 기본 가정은 전자가 원자핵에 가질 수 있는 결합 에너지에 관한 것이다. 다른 입자와의 충돌로 인해 이 결합 에너지 이상이 공급되면 원자는 이온화될 수 있다. 이는 전자를 원자에서 자유롭게 하여 양전하를 띤 이온을 남긴다. 이는 지구를 공전하는 위성과 유사하다. 모든 위성은 자체 궤도를 가지며, 사실상 모든 궤도 거리와 모든 위성 결합 에너지가 가능하다. 전자는 원자핵의 양전하에 유사한 힘으로 끌리기 때문에, 소위 "고전적인" 계산은 전자에게 모든 결합 에너지가 가능해야 한다고 제안한다. 그러나 보어는 전자에 대한 "양자 에너지 준위"에 해당하는 일련의 특정 결합 에너지만 발생한다고 가정했다. 전자는 일반적으로 가장 낮은 에너지 준위에서 발견되며, 이때 가장 큰 결합 에너지를 갖는다. 추가 준위는 더 높은 곳에 위치하며, 결합 에너지가 더 작다. 이러한 준위 사이에 있는 중간 결합 에너지는 허용되지 않는다. 이는 혁명적인 가정이였다.^[10]

프랑크와 헤르츠는 그들의 실험의 4.9V 특성이 음극에서 방출된 전자가 수은 원자와 충돌하여 발생한다고 제안했다. 1915년에 보어는 프랑크와 헤르츠의 측정 결과가 자신의 원자 모형의 양자 준위 가설과 더 일치한다는 논문을 발표했다.^[7] 보어 모형에서 충돌은 원자 내의 내부 전자를 최저 준위에서 첫 번째 양자 준위 위로 들뜨게 했다. 보어 모형은 또한 내부 전자가 들뜬 양자 준위에서 최저 준위로 돌아갈 때 빛이 방출될 것이라고 예측했다. 이 빛의 파장은 원자 내부 준위의 에너지 차이에 해당했으며, 이를 보어 관계라고 불렀다.^[19] 프랑크와 헤르츠가 254nm에서 관찰한 방출 또한 보어의 관점과 일치했다. 1918년 제1차 세계 대전 이후에 프랑크와 헤르츠는 실험 해석에 대해 보어의 관점을 광범위하게 수용했으며, 이는 양자 역학의 실험적 핵심 중 하나가 되었다.^[20][15] 아브라함 파이스는 다음과 같이 설명했다. "프랑크와 헤르츠의 연구의 아름다움은 충돌하는 전자의 에너지 손실 ''E''₂-''E''₁을 측정한 것뿐만 아니라, 그 전자의 에너지가 4.9eV를 초과할 때 수은이 위의 공식에 정의된 특정 주파수 ''ν''의 자외선을 방출하기 시작한다는 것을 관찰했다는 점에 있다. 이를 통해 그들은 (처음에는 의도하지 않았지만) 보어 관계에 대한 첫 번째 직접적인 실험적 증거를 제공했다!"^[19] 프랑크는 1960년 물리학 연구 위원회(PSSC)가 제작한 프랑크-헤르츠 실험에 관한 영화의 에필로그에서 자외선 방출 실험의 중요성을 강조했다.^[14]

빛에 의한 에너지 교환에서 발광 스펙트럼이 고유한 주파수를 갖는다는 것은 원자가 불연속적인 에너지 상태를 갖는다는 것을 보여준다. 마찬가지로, 전장으로 가속된 전자에 의해 여기된 기체 원자도 불연속적인 에너지를 흡수한다는 것을 나타냈다.

4. 네온을 사용한 실험

5. 노벨 물리학상

프랑크와 헤르츠는 1925년 이 연구를 바탕으로 노벨 물리학상을 수상했다.

참조

_[1] 서적 THÉORIE DU RAYONNEMENT ET LES QUANTA. RAPPORTS ET DISCUSSIONS DELA Réunion tenue à Bruxelles, du 30 octobre au 3 novembre 1911, Sous les Auspices dk M. E. SOLVAY. Publiés par MM. P. LANGEVIN et M. de BROGLIE 1912
_[2] 논문 The Genesis of the Bohr Atom University of California Press 1969
_[3] 문서 Bohr model
_[4] 웹사이트 Nobel Prize in Physics 1925 – Presentation Speech https://www.nobelpri[...] The Nobel Foundation 1926-12-10
_[5] 웹사이트 The vapor pressure of mercury http://www.boulder.n[...] National Institute of Standards 2014-04-08
_[6] 서적 Niels Bohr: A Centenary Volume Harvard University Press
_[7] 서적 Niels Bohr and the Quantum Atom: The Bohr Model of Atomic Structure 1913-1925 https://books.google[...] Oxford University Press
_[8] 서적 Fundamentals of Light Sources and Lasers John Wiley & Sons
_[9] 서적 The harvest of a century: discoveries of modern physics in 100 episodes Oxford University Press
_[10] 서적 Revolution in Science https://archive.org/[...] Belknap Press
_[11] 서적 Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic-, Molecular- and Quantum Physics Springer
_[12] 간행물 Über Zusammenstöße zwischen Elektronen und Molekülen des Quecksilberdampfes und die Ionisierungsspannung desselben https://www.dpg-phys[...] 2017-01-21
_[13] 간행물 Über die Erregung der Quecksilberresonanzlinie 253,6 μμ durch Elektronenstöße
_[14] AV media Franck-Hertz experiment https://archive.org/[...] Educational Services 2014-07-01
_[15] 서적 Science and Conscience: The Life of James Franck https://books.google[...] Stanford University Press 2011
_[16] 서적 Experiments in Modern Physics Gulf Professional Publishing
_[17] 웹사이트 The speed of electrons http://www.nuffieldf[...] Nuffield Foundation 2014-04-18
_[18] 서적 Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein https://archive.org/[...] Oxford University Press
_[19] 서적 Twentieth Century Physics American Institute of Physics Press
_[20] 웹사이트 James Franck 1882–1964: A Biographical Memoir https://www.nasonlin[...] [[National Academy of Sciences]] (US)
_[21] 서적 Modern Physics for Scientists and Engineers https://books.google[...] Cengage Learning
_[22] 서적 Modern Physics for Scientists and Engineers https://books.google[...] Cengage Learning