일반물리학실험 | 프랑크-헤르츠 실험

 

 

 

TIP

 

 

1. 1914년 프랑크(J. Franck)와 헤르츠(G. Hertz)가 수은 기체에 전자를 충돌시켜서 수은(Hg)의 에너지 상태가 양자화 되어 있는 것을 확인한 역사적인 실험을 재현한다. 
2. 본 실험을 통하여 에너지 준위(energy Level)와 여기에너지(excitation energy), 탄성충돌(elastic collision) 등의 개념을 익히고 원자 에너지 상태가 양자화 되어 있음을 직접적으로 관찰한다.

 

 

 

실험 배경

1900년대에 들어와서 원자의 구조에 대한 연구가 활발하게 이루어 졌다. 원자 모델에 대한 여러가지 가설들이 제안되었고 바로 실험에 의하여 확인되었다. 1910년대 초반에 드디어 원자의 형상에 대한 실체를 잡을 수 있었다. 라더퍼드(Rutherford)에 의하여 실험적으로 규명된 원자의 모형은, 마치 태양계에서 태양을 중심으로 하여 여러 행성들이 돌고 있는 것처럼, 무겁고 양전하를 띄고 있는 원자핵을 중심으로 하여 전자가 돌고 있다는 것이다. 그러나 그 당시에 이미 완전히 정립되어 의심할 여지가 없는 전자기학 이론에 따르면 궤도를 돌고 있다는 전자는 안정된 상태로 존재할 수가 없어서 불과 10-7초 이내에 핵에 포획되어 버린다는 문제점이 생겼다.

 

1913년 보어(Bohr)가 원자의 결합 상태에 대한 양자화 가설을 내놓아 이러한 문제점을 피해나갔고, 더우기 이전에 실험적으로 잘 알려졌던 원자의 방출, 흡수 스펙트럼에 대해 완전하게 설명을 할 수 있었던 것이다. 핵 주위를 돌고 있는 전자가 가질 수 있는 에너지는 연속적이 아닌 띄엄띄엄한 값이라는 결과는 지금까지의 고전론적인 사고방식에 일대 전환을 가져오게 하였다. 원자의 세계는 고전역학으로 설명을 할 수 없어서, 전혀 새로운 체계의 접근 방식이 필요하게 되었고 양자역학이 만들어 지게 된 것이다. 보어의 원자 가설이 나온 1년후, 1914년 프랑크(Franck)와 헤르츠(Hertz)에 의하여 원자가 전자와 충돌할 때 특정한 양의 에너지만을 주고 받는 다는 사실이 발견되었다. 이 특정한 에너지는 바로 그 원자가 가지고 있는 스펙트럼의 관측으로 부터 얻어진 전자의 에너지 준위의 차이에 해당하는 것이 되어, 물질의 양자화에 대한 보다 직접적이고 확고한 증거가 되었다.

 

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.

728x90

 

 

실험 방법

1. 초기상태로 조정하는 법

1) 판넬면의 뚜껑을 열고 프랑크-헤르츠 관(Franck-Hertz tube)이 끼워져 있는지 확인한다.

 

2) 각각의 손잡이를 최소로 하고 우측 아래의 3개의 전환스위치 중에서 자동-수동 스위치(Auto-Manu)는 수동(Manu)으로, 내부-외부 스위치(External-Internal)는 내부(Internal)로, Meter-OSC 스위치는 Meter로 놓는다.

 

3) 좌측하단의 Power 스위치를 ON으로 한다.

 

4) 우측상단에 있는 영점조절손잡이(Zero)를 이용하여 전류계의 눈금이 정확하게 영점이 되도록 맞춘다. 전류증폭조절손잡이(Gain)의 표시가 11시 방향으로 가도록 한다.

 

5) 중앙에 있는 G₂-K 손잡이를 돌려서 전압계가 30V를 가리키게 한다.

 

6) Heater Vol 손잡이의 표시 마크가 2시 방향을 가리키도록 돌려 필라멘트가 가열될 때까지 약 5분간 기다린 후 G₁-K 손잡이를 돌려서 전류계 눈금이 가장 많이 움직이는 위치에 고정한다. 만일 전류계가 반응을 나타내지 않거나 반응이 너무 작을 경우에는 G₁-K 손잡이를 최소로 하고 Heater Vol 손잡이를 조금 더 올려서 다시 반복해본다. 전류계의 지침이 너무 많이 움직일 때는 반대로 한다. 히터전류는 G₁-K 손잡이를 최적상태로 조정했을 때 전류계지침이 중앙(50μA)에 오도록 조절한다.

 

7) G₂-K(가속전압) 손잡이를 왼쪽으로 완전히 돌린 후 Zero 손잡이를 전류계 0점을 다시 맞춘다. G₂-K 손잡이를 올려 전압계가 30V를 가리키게 한다. 전류계의 지침이 중앙에 오는 것을 확인할 것.

 

8) G₂-P(역전압) 손잡이를 돌려 전류계가 30μA를 가리키게 조정한 후 다시 G₂-K(가속전압) 손잡이를 왼쪽으로 완전히 돌려서 Zero 손잡이로 전류계 0점을 맞춘다.

 

주의사항 : Heater Vol 손잡이를 표시된 눈금 이상으로 돌리지 않는다. 필라멘트가 파손될 수 있다.

 

2. 전압-전류관계 측정

1) G₂-K(가속전압) 손잡이를 조금씩 올리면서 전압 V와 전류 I를 읽어 그래프를 그린다. (측정 1에 기록) 판넬면의 뚜껑을 열고 F-H관을 위에서 관찰하면 원 모양의 희미한 빛이 발생하는 것을 볼 수 있다. 빛이 몇 V에서 발생하는지 기록하고 전압을 증가시킴에 따라 빛의 모양이 어떻게 변하는지 관찰한다. 전압을 더 높이면 여러 개의 빛띠가 생기는 것을 볼 수 있다. 각각의 띠가 몇 V에서 발생하는지 기록한다.

 

2) 첫 번째 측정이 끝나면 G₂-K를 돌려 전압계가 30V를 가리키게 한다. Heater Vol 손잡이를 약간 낮추어 전류계가 15㎂를 가리키게 한 후 다시 측정한다(측정 2에 기록).

 

3) 두 번째 측정이 끝나면 G₂-K를 돌려 전압계가 30V를 가리키게 한 후 Heater Vol 손잡이를 원래대로 돌려 전류계가 30㎂를 가리키게 한다. G₂-P(역전압)을 높여 전류계가 15㎂를 가리키게 한 후 측정한다(측정 3에 기록). 측정이 끝나면 이번에는 G₂-P(역전압)을 낮추어 전류계가 50㎂를 가리키게 한 후 다시 측정한다(측정 4에 기록).

 

4) 실험이 모두 끝나면 손잡이들을 완전히 왼쪽으로 돌린 후 전원을 끄고 플러그를 뽑는다.

 

3. 여기 에너지 계산

앞에서 측정한 결과 그래프를 해석하여 네온(Ne) 원자의 여기 에너지를 구한다.

 

 

 

[일반물리학실험]프랑크-헤르츠 실험 레포트