FRANK HERTZ DENEYİ

1. FRANK HERTZ DENEYİ DANIŞMAN:Yrd. Doc. Jale Süngü

2. FRANCK-HERTZ DENEYİ: • Alman fizikçiler GustavLudwig Hertz ve James Franck 1914 yılında, yaptıkları deney ile civa atomunun uyarılmış durumlarını gösterdiler. • Franck ve Hertz, uyarılmış durumları gösterirken, elektronların kesikli enerji seviyelerinde bulunabilecekleri öngörüsünü kullanmışlardır. • Bu deneyleri ile 1925 yılında Nobel Ödülünü alan Franck-Hertz, elde ettikleri sonuçlar ile Bohr atom modelini deneysel olarak doğrulamış oldular.

3. Danimarkalı bilim adamı NielsBohr tarafından 1913 yılında atomik spektrumun bazı özelliklerini açıklayan atom modeli önerilmiştir. • Bu model atomik yapı ile ilgili pek çok özelliği açıklayabilmekte • fakat yetersiz kaldığı noktalarda bulunmaktaydı. • Bugün doğru olan atom modeli kuantum mekaniksel modeldir. • Bohr modeli, kuantum mekaniksel modele iyi bir yaklaşıklıktır. • Bohratom modeli gezegensel modele oldukça benzer. Bohr modeline göre, atomun merkezinde oldukça küçük bir hacimde yoğun çekirdek bulunur. Çekirdeğin çevresinde ise elektronlar dolanmaktadır. • Klasik gezegen modelinde yörünge yarıçapı, enerji ve açısal momentum sürekli değerler alırken; Bohratom modelinde elektronlar, yörünge yarıçapı belirli olan yörüngelerde dolanırlar.

4. Bohr, atom modelini kurarken bazı kabullenmeler yapmıştır. Bu kabullenmeler Bohrpostülaları olarak bilinir. • Bunlar; • 1.varsayımi: Bir atomdaki elektronlar,çekirdek etrafında rastgele dolaşamaz. • Yarıçapı sabit olan kararlı yörüngelerde hareket ederler. Bu • kararlı yörüngelerin enerjileri belirlidir, yani enerji kesiklidir. • Kararlı yörüngelerdeki elektron ışıma yapamaz. • Kararlı yörüngede açısal momentum kuantumludur. • L=nh/2π n=1,2,3,… • Bu kuantumlama şartına Bohrkuantizasyonu, n’ye de temel kuantum sayısı denir.

5. 2. varsayım:Elektronlar bu kararlı seviyeler arasında geçiş yapabilirler. Bir dış etki ile, temel durumdan uyarılmış duruma çıkan elektronlar, tekrar (coulomb yasası ile) temel duruma dönerler bu iki enerji düzeyi arasındaki farka eşit enerjili foton salarlar.

6. Deneyin Yapılışı: • Deneyde, Franck-Hertz tüpü içindeki civa atomları elektronlarla çarpıştırılarak civa atomlarının uyarılmaları sağlanacaktır. Kullanılan Franck-Hertz tüpü şekil 2 deki gibidir.

7. Franck-Hetz tüpünün içi sıvı haldeki civa ile doludur. Tüp, yaklaşık 185-190° ye kadar ısıtılarak civanın buharlaşması sağlanır. • Katot, 6.3 V’ luk fitil gerilimi (Uf) ile beslenir. Isınan katot yüzeyden elektronlar sökülür ve katot etrafında bir uzay yükünün birikmesi sağlanır. • Sökülen bu elektronlar serbest elektronlardır. Tüp içinde gaz halindeki civa atomları ile çarpışacak olan elektronlar bu elektronlardır. • katot ile birinci kafes (G1)arasına U1 gerilimi uygulanır. • Amaç:bu gerilim ile katottan sökülen elektronların ne kadarının kafesler arasındaki bölgeye (G1-G2arası) geçeceği kontrol edilir.

8. U1gerilimi genelde 0 Volt değerinde tutulur. U1gerilimi en fazla 1 Volt değerine kadar yükseltilir. • U2gerilimi, G1ve G2kafesleri arasına uygulanır ve hızlandırıcı gerilim olarak adlandırılır. G1-G 2arasına kafes (ya da ızgara) bölgesi denir. • Bu bölgeye geçen elektronlar U2 gerilimi ile hızlandırılırlar. Hızlanan elektronların kinetik enerjisi artar. • U2gerilimi ile hızlanan elektronlar tüp içinde gaz halindeki civa atomları ile çarpışırlar. Bu çarpışmalar esnek ve esnek olmayan çarpışmalar olmak üzere iki çeşittir.

9. U3(U0) gerilimi ise G2kafesi ile anot arasına uygulanır ve durdurucu gerilim olarak bilinir. Civa atomları ile çarpışan elektronların hangilerinin anota ulaşacağını belirler. • Hızlandırıcı gerilimin düşük değerlerinde elektronlar çok az bir kinetik enerji kazanırlar. Bu durumda elektronların kinetik enerjileri civa atomunun uyarılma enerjinden düşüktür ve elektronlar civa atomları ile sadece esnek çarpışmalar yaparlar. • Saf esnek çarpışmalarda sistemin toplam kinetik enerjisi değişmez. Civa atomları ile çarpışan elektronlar kinetik enerjilerinden hemen hemen hiçbir şey kaybetmezler. • Elektronlar kinetik enerjilerini korudukları için U3durdurucu gerilimini aşarak anota ulaşırlar.

10. Böylelikle anot akımı artar. • U2gerilimi artırılmaya devam ettiğinde daha çok elektron anota ulaşacak ve anot akımı artmaya devam edecektir. • Hızlanan elektronların kinetik enerjileri civanın uyarılma enerjisine eşit olduğunda (başka bir deyişle U2, civa atomunun uyarılma potansiyeline eşit olduğunda) bir civa atomu ile elektron arasındaki çarpışma, esnek olmayan çarpışmadır. • Civa atomu için uyarılma potansiyeli 4.9 V’ dur. • Esnek olmayan çarpışma sonucu, serbest elektronun kinetik enerjisi, civa atomuna bağlı olan bir elektronun enerji seviyesini yükseltecek şekilde bir iç enerjiye dönüşür. Bu, civa atomunun uyarılması olarak adlandırılır.

11. Bu yolla, kazandığı tüm kinetik enerjiyi kaybeden elektron U3 durdurucu gerilimini aşamayacak ve anoda ulaşamayacaktır. Bu ise akımda ani bir düşüş demektir. • U2, bu değerden (uyarılma potansiyeli) sonra tekrar artırılmaya devam edildiğinde akım yine artmaya başlar. • U2, uyarılma potansiyelinin tam 2 katı olduğunda (9.8 V), her bir elektron 2 tane esnek olmayan çarpışmada yer alır ve iki civa atomunu uyarır.

13. Bu yolla, yine tüm kinetik enerjisini kaybeder, durdurucu potansiyeli aşamaz ve akımda yine bir düşüş gözlenir. • U2 , uyarılma potansiyelinin her bir tam sayı katına geldiğinde bu süreç devam eder. Her seferinde elektron ek bir esnek olmayan çarpışmada yer alır. • U2arttıkça, elektronlar civa atomunu uyaracak enerjiyi kafes bölgesinde (G1-G2 arasında) daha kısa bir yol kat ederek kazanırlar

14. Civa atomları ile serbest elektronların arasındaki esnek ve esnek olmayan çarpışmalar Şekil 3’de gösterilmiştir

15. SONUÇLAR: Anot akımının (I), U2hızlandırıcı gerilime göre değişimi incelenirse Şekil4’ deki gibi bir grafik elde edilir. Bu grafik civa atomu için Franck-Hertz eğrisi olarak adlandırılır.

16. Bu grafikte ardışık tepeler arası eşittir. İki tepe değeri arasındaki fark bize civa atomu için uyarılma potansiyelini verecektir. • Uyarılma potansiyelinden yararlanarak uyarılma enerjisi hesaplanabilir. Örneğin, grafikte iki tepe arası 5 V olarak elde edilmişse, deneysel olarak bulunan uyarılma potansiyeli 5 V’ tur. Uyarılma enerjisi ise 5 eV veya 5×1.6×10-19 =8.0×10-19 Joule’ dür. • Grafikteki ardışık tepelerin sayısı elektronun civa atomları ile yaptığı esnek olmayan çarpışma sayısına eşittir.

17. Deney U1gerilimi sıfırdan farklı bir değerde tutulup yapılsaydı, elde edeceğimiz I-U2grafiğinin biçimi değişmezdi, sadece akım değerleri artardı. Grafikten bulunan uyarılma potansiyeli yine aynı olurdu. • U3durdurucu gerilimi, daha yüksek bir değerde tutulursa, Franck-Hertz eğrisindeki maksimum ve minumumlar daha iyi tanımlı olurdu.

18. KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ FEN EDEBİYAT FAKÜLTESİ FİZİK BÖLÜMÜ Hazırlayan: İslam FİSTANLI 060101038