Universit degli Studi di Roma Tor Vergata Centro

Università degli Studi di Roma “Tor Vergata” Centro Interdipartimentale di Ricerca e Formazione Permanente per l’Insegnamento delle Discipline Scientifiche a cura del dott. Giovanni Casini Laboratorio di Didattica della Fisica e della Matematica Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della

L’esperimento di Franck e Hertz Nel 1914 James Franck e Gustav Hertz scoprirono che “gli elettroni, quando attraversano i vapori di mercurio, subiscono una perdita di energia secondo livelli discreti”. Questa perdita di energia corrisponde all’emissione di radiazioni ultraviolette da parte del mercurio. Se invece dei vapori di mercurio si utilizza il neon la radiazione luminosa emessa dal gas si trova nello spettro compreso tra il rosso e il verde. James Franck Gustav Hertz Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della

L’apparato sperimentale tubo di vetro con gas neon misura della tensione U 2 misura della corrente IA Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della

Il tubo di vetro è stato riempito con neon a temperatura ambiente e una pressione di circa 10 h. P. Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della

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Schema del tubo di Franck-Hertz tubo di vetro Gli elettroni, emessi dal catodo K per effetto termoionico, formano una carica spaziale che viene attratta dalla griglia G 1 (tensione di controllo U 1). U 2 è la tensione di accelerazione presente tra G 1 e G 2. U 3 è la tensione frenante, minore di U 2, che tende a frenare gli elettroni che oltrepassano G 2, per cui solo quelli con sufficiente energia cinetica riescono a raggiungere il collettore A e quindi dare contributo alla corrente misurata. Nel corso dell’esperimento si misura la corrente in funzione della tensione U 2 (0 -80 V) mantenendo costanti U 1 e U 3. Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della

Eseguiamo l’esperimento Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della

Osservazioni Si osserva che inizialmente la corrente aumenta fino a un valore massimo, per poi diminuire bruscamente a causa di una collisione con gli atomi del gas. curva di Franck-Hertz Aumentando ulteriormente la tensione di accelerazione U 2 gli elettroni dopo l’urto tornano ad acquistare velocità, e non appena la loro energia è maggiore del potenziale frenante la corrente torna ad aumentare. Se la tensione U 2 è sufficientemente grande, nello spazio rimasto a disposizione gli elettroni nuovamente accelerati riescono a eccitare nuovamente altri atomi di neon (secondo minimo della corrente IA). Se la tensione aumenta ancora il meccanismo descritto si ripete nuovamente. Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della

Interpretazione dell’esperimento Gli elettroni accelerati da U 2 hanno un’energia cinetica Per basse tensioni collidono in modo elastico con gli atomi di neon e arrivano al collettore A senza perdita di energia e con velocità media in direzione dell’asse x praticamente inalterata. Questo perché gli atomi del gas (peso atomico 20) hanno una massa 40. 000 volte maggiore dell’elettrone e quindi nell’urto non riescono ad acquisire energia cinetica (restano praticamente fermi). Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della

Interpretazione dell’esperimento A tensioni più alte si hanno collisioni anelastiche. La collisione anelastica si spiega immaginando che nella collisione l’elettrone libero cede un’energia E ad un elettrone dell’orbitale esterno che transisce ad un livello energetico superiore. L’energia cinetica degli elettroni liberi diventa Quando l’energia cinetica residua degli elettroni liberi dopo la collisione è nulla. Da quel punto in poi vengono di nuovo accelerati dal campo elettrico, ma ora il potenziale frenante è sufficiente a respingere quasi completamente questi elettroni, producendo un repentino abbassamento della corrente IA misurata. Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della

corrente IA ( n. A) 34 e. V 42 e. V 55 e. V 63 e. V 17 e. V 21 e. V energia ( e. V ) Poiché l’energia necessaria per eccitare gli elettroni degli atomi di neon dal livello 2 s al livello 3 p va dai 18. 4 e. V ai 19 e. V si può notare nella figura che il primo abbassamento di corrente IA si ha tra i 17 e. V e i 20 e. V. Si osserva una successiva caduta di corrente quando la tensione acceleratrice aumenta di circa 19 V. Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della

Per effetto degli urti anelastici degli elettroni con gli atomi di neon si ha un’eccitazione degli elettroni ai livelli di energia superiore. La probabilità di transizione dai livelli 2 s ai livelli 3 p (18. 4 -19. 0 e. V) è maggiore di quella dai livelli 2 s ai livelli 3 s (16. 6 -16. 9 e. V), che quindi si verificano in misura preponderante. L’emissione di luce si ha invece nel passaggio dai livelli 3 p ai livelli 3 s. Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della

Le zone di luminanza corrispondono alle zone in cui l’energia degli elettroni liberi ha raggiunto il valore di soglia e l’urto con l’elettrone di valenza è in grado di eccitare quest’ultimo ad un livello energetico superiore. Ogni volta che la tensione di accelerazione aumenta di circa 19 V si osserva una nuova zona di luminanza. Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della

Le tre zone di luminanza visibili per una tensione acceleratrice U 2 di circa 60 Volt. Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della

conseguenze • È una delle basi sperimentali per il modello atomico di N. Bhor Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della

Premio Nobel per la Fisica nel 1925 a James Franck e Gustav Ludwig Hertz Università di Roma Tor Vergata ― Laboratorio di didattica della Fisica e della