일반물리학실험 | 프랑크-헤르츠 실험

 

 

 

실험 배경

현대물리학에서 원자의 에너지가 양자화 되어 있다는 것은 매우 중요한 개념이다. 19세기 말엽에 수소원자의 스펙트럼을 분석하여 수소원자의 에너지가 띄엄띄엄한 값을 갖는다는 실험사실로부터 현대물리학의 양자역학이 서서히 만들어졌다. 플랑크의 양자가설을 시작으로 하여, 보어의 원자모형이 수소원자의 스펙트럼이 잘 설명하였고, 아인슈타인의 광전효과에 대한 이론 등등 현대물리학이 탄생하였다. 그중에서 프랑크-헤르츠 실험은 원자의 에너지 준위가 양자화 되어 있다는 직접적인 실험결과를 보여주는 것이다.

 

수은 기체에 전자를 충돌시켜서 수은의 에너지 상태가 양자화 되었다는 실험은 물질의 에너지가 양자화 되었다는 확고한 증거가 된 것이다. 원자의 스펙트럼 관측에 의한 것이 아니고 전자와 충돌할 때 특정한 양의 에너지를 주고받는 사실로 직접적인 증거가 되었다. 이런 역사적인 실험을 고등학교나 대학교에서 실험기구로 만들어 현대물리 실험실습에 이용하고 있다. 다음과 같은 실험기구를 사용하고 있다. 프랑크-헤르츠 실험을 하다가 실험이 잘되지 않아 문제점을 찾기 위해 수은이 들어 있는 관에 디지털 카메라로 사진을 찍게 되었는데, 관 안에서 다음과 같은 현상을 발견하게 되었다.

수은관 안에서 나타난 형광

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실험 방법

프랑크-헤르츠 실험을 위한 관의 제작이 어려워 시중에 제작되어 나와 있는 실험기구를 이용하였다. 프랑크-헤르츠 실험기구는 Phywe사의 제품을 사용하였다.

1. 형광 무늬를 관측하기 위한 실험

아래 그림과 같이 회로도에 의해 실험 장비를 설치한다. 프랑크-헤르츠 실험기구에서 열전자방출전원과 가속전압을 위한 전원만 연결한다.

 

그림 9. 분광기를 이용한 형광의 스펙트럼 분석

 

열전자방출전원은 필라멘트를 가열하여 전자를 방출시키기 위한 것이다. 가속전압은 방출된 열전자를 가속시키기 위한 전위를 만들어 주는 장치이다. 가속전압을 서서히 증가시켜 가면서 관 안에서 나오는 형광 무늬를 관측하기 위해 카메라를 설치하고 촬영을 한다. 

 

프랑크-헤르츠관의 온도가 약 170℃가 되도록 히터를 켜서 맞춘다. 온도가 안정화되면 열전자방출전원의 전압을 6.4V로 맞춰준다. 필라멘트가 가열된 모습을 확인한 후 가속전원장치의 전압을 서서히 증가시켜 가면서 형광무늬 띠가 형성되는 모습을 관찰한다. 이때 전압의 변화에 따라서 무늬의 띠가 어떻게 변하는지 카메라로 촬영하고, 그때의 조건들을 기록한다. 카메라를 모니터에 연결하여 무늬가 변하는 패턴을 연속적으로 볼 수 있게 하고, 이 영상을 동영상으로 촬영하여 분석해 본다.

 

2. 분광기를 이용한 형광의 스펙트럼 분석

프랑크-헤르츠 실험 시 나오는 형광은 에너지가 4.9eV에 해당하는 전자기파가 나오는 것인데 파장은 약 254㎚ 정도이다. 이 영역대는 자외선에 해당되어 우리 눈으로 관측할 수 없는데 실제로는 눈으로 관측할 수 있다. 따라서 그림 3과 같이 실험기구를 설치하여 스펙트럼을 분석한다. 이 때 분광기는 OceanOptics사의 RED TIDE USB650을 사용하였다.

분광기를 이용한 형광의 스펙트럼 분석

 

 

 

[일반물리학실험]프랑크-헤르츠 실험 레포트