Франк–Херцов експеримент

Франк - Херцовиот експеримент било првото електрично мерење што јасно ја покажало квантната природа на атомите и со тоа “се трансформирало нашето разбирање за светот“. Опитот бил претставен на Германското друштво на физичари на 24 април 1914 година во еден труд на Џејмс Франк и Густав Херц. Франк и Херц дизајнирале вакуумска цевка за проучување на енергетски електрони што се движеле низ тенка пареа на атоми на жива. Тие откриле кога електронот се судира со атом на жива, може да изгуби само одредена количина (4,9 електронволти) од својата кинетичка енергија пред да замини. Оваа загуба на енергија одговара на забавување на електронот со брзина од околу 1,3 милиони метри во секунда до нула. По судирот, побрзиот електрон не се распаѓа целосно, но ја губи точно истата количина на својата кинетичка енергија. Побавните електрони само отскокнуваат од атомите на жива без да загубат значителен дел од својата брзина или кинетичка енергија.

Фотографија од вакуумска цевка користена за Франк-Херцовиот експеримент во наставни лаборатории. Во цевката има капка жива, иако не е видлива на фотографијата. C - склопување на катода; самата катода е топла, и свети портокалова. Испушта електрони кои минуваат низ решетката на металната мрежа (G) и се собираат како електрична струја од анодата (А).

Овие експериментални резултати се покажале во согласност со Боровиот модел за атоми што биле предложени претходната година од Нилс Бор. Боровиот модел бил претходник на квантната механика и моделот на електронски обвивки на атомите. Неговата клучна одлика била тоа што електронот во внатрешноста на атомот зафаќа едно од атомските „квантни енергетски нивоа“. Пред судирот, електронот во атомот на жива го зафаќа своето најниско достапно енергетско ниво. По судирот, внатре електронот зафаќа повисоко енергетско ниво со 4,9 електронволти (eV) повеќе енергија. Ова значи дека електронот е полабаво врзан за атомот на жива. Нема средно ниво или можности во квантниот Боров модел. Оваа одлика беше „револуционерна“ затоа што не била во согласност со очекувањето дека електронот може да биде врзан за атомското јадро со било која количина на енергија.

Во вториот труд презентиран во мај 1914 година, Франк и Херц известувале за емисијата на светлина од атомите на жива кои апсорбирале енергија од судирите. Тие покажале дека брановата должина на оваа ултравиолетова светлина соодејствува точно на 4,9 eV од енергијата што движечкиот електрон кој ја изгубил. Односот на енергија и бранова должина исто така го предвидел Бор. По презентацијата на овие резултати од Франк неколку години подоцна, за Алберт Ајнштајн се вели дека забележал: „Тоа е толку убаво, ве тера да плачете“.

На 10 декември 1926 година, Франк и Херц добиле Нобелова награда за физика од 1925 година „за нивното откритие на законите што влијаат на влијанието на електронот врз атомот“.