El Experimento de Franck-Hertz*

En 1914, James Franck y Gustav Hertz realizaron un experimento que demostró la existencia de estados excitados en los átomos de mercurio, lo que ayudó a confirmar la teoría cuántica que predecía que los electrones ocupaban solamente estados de energía discretos cuantificados. Los electrones fueron acelerados por un voltaje hacia una rejilla cargada positivamente, dentro de un recipiente de cristal lleno de vapor de mercurio. Más allá de la rejilla, había una placa recolectora, mantenida a un pequeño voltaje negativo respecto de la rejilla. Los valores de los voltajes de aceleración donde la corriente disminuyó, dieron una medida de la energía necesaria para forzar el electrón a un estado excitado.
*Premio Nobel de Física en 1925.

Mayor Estudio

Esquema del Aparato

Datos del Mercurio

Datos del Neón

El Experimento de Franck-Hertz

Los electrones son acelerados en el aparato de Franck-Hertz, y la corriente recogida aumenta con el voltaje de aceleración. Como muestran los datos de Franck-Hertz, cuando el voltaje de aceleración alcanza 4,9 voltios, la corriente cae bruscamente, indicando el claro inicio de un nuevo fenómeno que quita suficiente energía a los electrones, de manera que no pueden alcanzar el colector. Esta caída se atribuye a colisiones inelásticas entre los electrones acelerados y los electrones atómicos de los átomos de mercurio. La aparición súbita sugiere que los electrones de mercurio no puede aceptar la energía hasta que se alcanza el umbral para elevarlos a un estado excitado. Este estado excitado de 4,9 voltios, corresponde a una línea fuerte, en el espectro de emisión ultravioleta del mercurio, a 254 nm (un fotón de 4.9 eV). Se producen caídas de la corriente recogida en múltiplos de 4,9 voltios, puesto que un electrón acelerado que tiene quitado 4,9 eV de energía en una colisión, se puede volver a acelerar, para producir otras de tales colisiones a múltiplos de 4,9 voltios. Este experimento fue una fuerte confirmación de la idea de los cuantificados niveles de energía atómica.

Esquema del Aparato de Franck-Hertz

Franck-Hertz: Datos del Mercurio

Estos datos originales de Franck-Hertz, muestran pérdidas de electrones de 4,9 eV, por colisión con los átomos de mercurio. Es posible observar diez golpes secuenciales en el intervalo de 4,9 voltios. Esquema del Aparato Mayor Estudio

Datos de Jason Lee y Bruce Rountree

La pantalla de Franck-Hertz para el mercurio que se muestra a la izquierda, se formó mediante el registro de la corriente vs voltaje. En un osciloscopio en modo x-y, se puso como barrido (y), el voltaje de aceleración. La separación de picos medida, corresponde a la energía de excitación de la transición del mercurio implicado.

Franck-Hertz: Datos del Neón

Para el gas Neón, el proceso de absorción de energía por las colisiones de los electrones, produce una evidencia visible. Cuando los electrones acelerados excitan los electrones de Neón a estados superiores, ellos se des-excitan de tal forma, que producen un brillo visible en la región del gas donde está teniendo lugar la excitación. Hay alrededor de diez niveles excitados, en el rango de 18,3 a 19,5 eV. Ellos se des-excitan cayendo a estados más bajos a 16,57 y 16,79 eV. Esta diferencia de energía produce luz en el rango visible. Puesto que los electrones acelerados se someten a colisiones inelásticas con el Neón y son acelerados de nuevo, pueden llevar a cabo a una serie de tales colisiones si el voltaje de aceleración es lo suficientemente alto. El aparato de Franck-Hertz utilizado para producir la imagen, era capaz de producir voltaje de aceleración de unos 80 voltios, por lo que podía llegar hasta cuatro colisiones. Bajo las condiciones adecuadas, esto se puede ver como cuatro bandas de luz de des-excitación, en las regiones de las colisiones. La pantalla de Franck-Hertz para el mercurio que se muestra a la izquierda, se formó mediante el registro de la corriente vs voltaje. En un osciloscopio en modo x-y, se puso como barrido (y), el voltaje de aceleración. La separación de picos medida, corresponde a aproximadamente el punto medio de la gama de energías de excitación, de las transiciones de neón involucradas.