ניסוי פרנק-הרץ

ניסוי פרנק, הרץ היה ניסוי מוקדם בפיזיקת חלקיקים, שהראה שקיימת קוונטיזציה של רמות האנרגיה באטום. קוונטיזציה פירושה שאנרגיה נלקחת או ניתנת רק בכמויות בדידות, לא ברצף. הניסוי נערך ב-1913 על ידי ג'יימס פרנק וגוסטב הרץ, ועליו הם קיבלו פרס נובל בפיזיקה ב-1925.

בתחילת המאה ה-20 נצפו תופעות שמרמזות שקיימת קוונטיזציה בקרינה האלקטרומגנטית. נילס בוהר הציע מודל שבו האלקטרון מצוי ברמות אנרגיה בדידות בתוך האטום. עם זאת, לא היו עדויות ניסויית חד־משמעיות לכך שרמות האנרגיה עצמן הן בדידות, ולא רק הקרינה. ניסוי פרנק, הרץ סיפק את העדות הזאת דרך התנגשויות אלקטרון־אטום ללא תלות ישירה בקרינה.

בשפופרת הניסוי הועברה קרן אלקטרונים דרך אדי כספית (אדי כספית = אטומי כספית במצב גזי). בקצה הייתה קתודה, שפולטת אלקטרונים בחימום (פליטה תרמיונית = פליטה עקב חימום). סריג טעון בחשמל (G) מאיץ את האלקטרונים לכיוון האנודה בצד האחר. על ידי שינוי המתח על הסריג שינו את האנרגיה הקינטית של האלקטרונים.

אם לאלקטרון אין מספיק אנרגיה, ההתנגשות עם אטום היא אלסטית, והוא מאבד מעט אנרגיה ומתפזר. אם יש לו אנרגיה מספקת, הוא מעורר את האטום (עירור = מעבר של אלקטרון בתוך האטום לרמת אנרגיה גבוהה). בהתנגשות כזו האלקטרון מאבד אנרגיה בודדת ונשאר חלש יותר.

כשמגבירים את מתח ההאצה, הזרם באנודה עולה בהתחלה. ברגע שאלקטרונים מגיעים לאנרגיה של העירור, רבים מהם מאבדים אנרגיה בהתנגשויות ועוזבים את הדרך לאנודה. לכן הזרם יורד. עם המשך ההגברה נצפות שוב עליות וירידות בזרם. סביר לראות סדרה של שיאים ושפלים בגרף זרם-מתח.

התצפית החשובה היא שהמרווחים בין שיאי הזרם קבועים. המרווח הקבוע מתאים בדיוק לאנרגיית העירור של אטומי הכספית כאשר מתרגמים מתח לאנרגיה על פי מטען האלקטרון. המוטיב הזה מסביר את התופעה בלי להזדקק לקרינה, ותומך במודל בוהר של רמות אנרגיה בדידות באטום.

ניסוי פרנק, הרץ הראה שאטומים מקבלים אנרגיה בכמויות קבועות. את הניסוי עשו פרנק והרץ ב-1913. על כך הם קיבלו פרס נובל ב-1925.

המדענים ראו שפעמים רבות אור יוצא באורכים מסוימים בלבד. בוהר הציע שאצל האטום יש "מדפים" של אנרגיה. כל מדף הוא רמת אנרגיה, ורק קפיצה בין המדפים מותרת.

בחרו לשים בשפופרת אדי כספית. אדי כספית זה אטומי כספית בגז. בקצה יש קתודה. קתודה היא משטח שמפליט אלקטרונים כשהם מתחממים. אלקטרונים מואצים על ידי סריג חיובי לכיוון אנודה. אנודה היא הקצה השני שבה נמדד זרם.

כשהאלקטרון פוגע באטום בלי אנרגיה מספקת, הוא מתפזר ויוצא כמעט בלי לשנות את האטום. אם יש לו מספיק אנרגיה, הוא מעורר את האטום. עירור הוא העלאה של אלקטרון בתוך האטום לרמת אנרגיה גבוהה. אז האלקטרון מאבד אנרגיה ולא מגיע לאנודה, והזרם יורד.

בגרף של זרם מול מתח ראו סדרת עליות וירידות. המרווחים בין השיאים היו זהים. המרווח הקבוע הראה בדיוק באיזה ערך מרימים את אטומי הכספית. זה חיזק את רעיון בוהר על רמות אנרגיה.