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L’esperimento di Franck e Hertz




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L’esperimento di Franck e Hertz


La teoria dei fotoni di Einstein associa a ogni frequenza dello spettro una ben determinata energia. Questo conduce a pensare che i meccanismi che sono alla base dell’emissione o dell’assorbimento di fotoni da parte degli atomi debbano permettere soltanto lo scambio di quantità di energia eguali ai valori che si deducono dallo spettro dell’atomo in esame. In questo modo, dopo la quantizzazione della carica e dopo la quantizzazione dell’energia trasportata dalla radiazione elettromagnetica, scopriamo che deve esistere una quantizzazione dell’energia anche negli atomi di materia. Ciò fu confermato dall’esperimento condotto da James Frank fig.(10-b) e Gustav Ludwig Hertz fig.(9-b) nel 1914. I due sperimentatori bombardarono con elettroni gli atomi di un gas monoatomico rarefatto e studiarono sia l’emissione di radiazione da parte del gas, sia l’energia cinetica degli elettroni dopo l’urto. L’idea alla base dell’esperimento è che, mediante questi urti, gli elettroni possano cedere energia agli atomi; in tal modo, un atomo può, a sua volta, restituire tale energia emettendo un fotone. Si noti che in questo caso l’atomo riceve energia mediante una collisione e non, come avveniva nei casi considerati da Plank e da Einstein, attraverso l’assorbimento di fotoni. Frank e Hertz verificarono che gli elettroni con energia inferiore ad un certo valore limite non riescono ad influenzare in alcun modo gli atomi del gas, i quali rimangono inerti. Una emissione di radiazione si può invece ottenere accelerando gli elettroni con una differenza di potenziale, in modo che posseggano un’energia cinetica maggiore o uguale ad . In tal caso, misurando l’energia cinetica degli elettroni dopo l’urto, si vede che vale sempre la relazione:





Anche al variare di l’energia assorbita dagli atomi è sempre uguale ad . Considerando il grafico di fig.(27-b) il picco all’energia E è quello dovuto alla diffusione su un atomo che non muta quando è urtato. In altri termini, gli elettroni rimbalzano mantenendo la propria energia iniziale E. Invece il picco all’energia , più piccola, dimostra che, in una certa frazione degli urti, l’atomo assorbe l’energia . Lo stesso ragionamento si applica a tutti gli altri picchi. In conclusione, si può quindi affermare che non soltanto gli scambi di energia tra radiazione e materia sono quantizzati, come aveva proposto Plank, ma che la quantizzazione dell’energia è una proprietà intrinseca della materia e si manifesta qualunque sia il tipo di scambio di energia coinvolto.



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