DENEY: Havası alınmış bir cam şişe içinde (Şekil 1) bulunan cıva atomları, 200 0C de yaklaşık 0,02 bar basınç altında ısıtıldığında cıva buharı elde edilir.

Franck-Hertz deney düzeneği

Sıcak katottan salınan elektronlar, katot ile anot arasındaki elektrik alanında ivmelenirler. Katotla anot arasında bulunan ağ ile anot arasına yaklaşık 0,5 V'luk bir gerilim (UG) bağlanırsa, bir veya birkaç çarpışma sonucu belli bir değer altında kinetik enerjiye sahip olan elektronların, anota ulaşması engellenmiş olur. Katot ile ağ arasındaki UG ivmelendirici gerilimi artırılırsa, buna bağlı olarak elektronlar daha fazla kinetik enerjiye sahip olacaklardır. Elektronların katot ile ağ arasındaki bölgede bir cıva atomuyla elastik çarpışmasında herhangi bir enerji kaybı olmaz sadece elektronlar yönlerini değiştirirler. Daha sonra, anoda ulaşan elektronlar sayesinde ampermetrede I akım değeri ölçülür. Ancak ivmelendirici gerilim belli bir değere ulaştığında oluşan akım aniden düşer. Bu demektir ki; elektronlar sahip oldukları enerjilerinin bir kısmını katot ile anot arasındaki bölgede elastik olmayan çarpışmalar sonucunda kaybetmişlerdir. Gerilimi biraz daha artırdığımızda, Şekil 2'de görüldüğü gibi I akımı tekrar artar. Bunun nedeni ise; elastik olmayan çarpışmalar sonucunda enerjisini kaybeden elektronların, katot ile anot arasındaki elektrik alanı sayesinde tekrar ivmelenmesidir. UB değeri 9,8 V değerine ulaşır ulaşmaz, akım tekrar düşer. Gerilimi tekrar artırdığımızda akım yeniden yükselir. Şekil 2'deki grafikten, akım maksimumları arasındaki bu farkın 4,9 V olduğu görülür.

Akımın,UB gerilimine bağımlılığı

Neden gerilim farkı 4,9 V olduğunda akımın düşmüştür?

Franck-Hertz deneyinde cıva atomları, elektronların kinetik enerjisi 4,9 eV olduğunda taban (temelne) enerji düzeyi denilen basamaktan bir üst enerji düzeyine (uyarılmış enerji düzeyi) bu enerjiyi alarak geçer (Şekil 3a).

a) Cıva atomunun temel düzeyden uyarılmış düzeye geçişi

b) Işık salınması



Bu geçiş için gerekli enerji, elektronlardan sağlanmıştır. Uyarılmış düzeye geçen elektronlar kısa bir süre sonra (yaklaşık 10-8 s) tekrar eski temel düzeylerine f (hf = 4,9 eV) frekansında ışık yayarak dönerler. Cıva atomu tarafından elektronlardan başlangıçta alınan enerji, f frekansında ışık olarak ortama salınmıştır (Şekil 3b). Elektronlar, enerjilerini bu olayın gerçekleşmesi için verdiklerinde artık anoda ulaşamayacakları için Şekil 2'de görülen akım düşüşleri meydana gelecektir. Gerilimi artırmaya devam edersek elektronlar tekrar kinetik enerji kazanacaklar ve bunun sonucunda da akım yeniden yükselmeye başlayacaktır. Tekrar gerilim değeri farkı 4,9 eV olduğunda yeniden bu enerji; atomu, temel düzeyden uyarılmış düzeye çıkarmak için harcanacaktır. Daha sonra, uyarılmış atom tekrar ışık yayarak temel duruma gelecektir. Burada dikkat edersek; atomun uyarılması ancak 4,9 eV değerinde mümkün olmaktadır. Bu değerden büyük veya küçük enerji değerlerinde atom herhangi bir reaksiyon göstermemektedir. Öyleyse; cıva atomunun temel düzeyi ile birinci uyarılma düzeyi arasındaki enerji farkı 4,9 eV'dur ve atomun sahip olduğu enerji düzeyleri ancak belirli değerdedir yani her değeri alamaz, kesiklidir. Başka bir deyişle; atomlar kuantumlu enerji düzeylerine sahiptirler.

Enerji düzeyleri, her atom için karakteristik bir özelliktir. Örneğin bu deney; helyum gazı ile yapıldığında cıva için 4,9 eV olan değer, 21 eV ; azot gazı ile 2,12 eV ; potasyum gazı ile 1,63 eV bulunur.

Hidrojen atomunun enerji seviyeleri



(1 eV; bir elektronun 1 V luk gerilim altında birim mesafeyi alması için gerekli enerji miktarıdır. )



1 eV = 1,602 × 10-19 J (3)



Şu şekilde yorumlanabilir:

Atom, elektron çarpışmasıyla yukarı bir enerji seviyesinden daha düşük bir enerji seviyesine (2) eşitliği uyarınca dalga boyu λ olan bir ışık yayınlayarak geçer. Bu geçiş, enerji seviyesi şemasında aşağı doğru yönlenmiş bir ok ile gösterilir (emisyon). Bunun tersi; atom, diğer elektronlarla çarpışarak ya da yeterli enerjili ışığı soğurmasıyla, aşağı enerji seviyesinden yukarı enerji seviyesine geçer. Bu geçiş ise, yukarı doğru yönlenmiş bir ok ile enerji seviyesi şemasında gösterilir (absorbsiyon). Fakat burada dikkat edilmesi gereken, sadece enerji seviyesi şemasındaki kesikli enerji seviyesi aralıklarına uygun ışık soğurulabilir veya yayınlanabilir. Öyleyse hidrojen atomundaki elektron sadece belirli kesikli enerji değerleri alabilir. Eğer elektron klasik anlamda bir tanecik olsaydı o zaman bütün enerji değerlerini alabilirdi. 1913 yılında ilk kez FRANCK (1882-1964; Hertz ile Nobel ödülü 1925) ve HERTZ (1887-1975; Franck ile Nobel ödülü 1925) tarafından cıva atomlarıyla yapılan deneyde, ışık absorbsiyon ve emisyonunun, atom içerisindeki kesikli enerji düzeylerinin bir sonucu olduğu ispatlanmıştır



Sonuç:

Atomlar her enerji değerini değil ancak belli bir enerji değerini, yani sürekli değil kesikli bir değer alıp, bu enerjiyi ışıma yoluyla tekrar salarlar. Buna göre; söz konusu salınan ışığın frekansı f (aynı zamanda dalga boyu λ) ile kesikli enerji düzeyleri arasındaki enerji farkı ΔE arasında:

E = h f = h c / λ

ilişkisi vardır. Burada; c, ışık hızı (3 108 m/s ), ΔE, ise absorbsiyon (soğurma) veya emisyon (salma) enerjisi olarak da değerlendirilebilir.

Paylaşım İçin teşekkürler

Teşekkürler.

Teşekkürler..