La experiencia que realizaron Franck y Hertz en 1914 es uno de los experimentos claves que ayudaron a establecer la teoría atómica moderna. Nos muestra que los átomos absorben energía en pequeñas porciones o cuantos de energía, confirmando los postulados de Bohr. Mediante una simulación se tratará de explicar las características esenciales de este sencillo experimento, observando el movimiento de los electrones y sus choques con los átomos de mercurio, e investigando el comportamiento de la corriente Ic con la diferencia de potencial U que se establece entre el cátodo y la rejilla.
Descripción
En la figura, se muestra un esquema del tubo que contiene vapor de mercurio a baja presión con el que se realiza el experimento. El cátodo caliente emite electrones con una energía cinética casi nula. Ganan energía cinética debido a la diferencia de potencial existente entre el cátodo y la rejilla, véase el movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico.
Durante el viaje chocan con los átomos de vapor de mercurio y pueden perder energía. Los electrones que lleguen a la rejilla con una energía cinética de 1.5 eV o más, impactarán en el ánodo y darán lugar a una corriente Ic. Los electrones que lleguen a la rejilla con una energía menor que 1.5 eV no podrán alcanzar el ánodo y regresarán a la rejilla. Estos electrones no contribuirán a la corriente Ic.
La corriente
Icpresenta varios picos espaciados aproximadamente 4.9 eV.
El primer valle, corresponde a los electrones que han perdido toda su energía cinética después de una colisión inelástica con un átomo de mercurio.
El segundo valle, corresponde a electrones que han experimentado dos colisiones inelásticas consecutivas con átomos de mercurio, y así sucesivamente.
Cuando un electrón experimenta una colisión inelástica con un átomo de mercurio lo deja en un estado excitado, volviendo al estado normal después de emitir un fotón de 2536 A de longitud de onda, que corresponde a una energía E=hf=hc/l de aproximadamente 4.9 eV. Esta radiación se puede observar durante el paso del haz de electrones a través del vapor de mercurio. En la simulación aproximaremos el valor de esta energía a 5 eV.
La energía del fotón hf=E2-E1es igual a la diferencia entre dos niveles de energía E2 y E1del átomo de mercurio. Esta energía es la que pierde el electrón en su choque inelástico con el átomo de mercurio.
En la simulación, empleamos un número limitado de átomos de Hg y de electrones, en el experimento real el número de átomos y electrones es muy grande, esto hace que para las diferencias de potencial (ddp) para las cuales la corriente presenta un mínimo se produzcan ciertas variaciones en el valor medido de la corriente para la misma ddp.
