フランク・ヘルツの実験

質問

フランク・ヘルツの実験をおこないました。

実験データを加速電圧を横軸に、プレート電流を縦軸にとりグラフをおこすと極大値を４つ持つ曲線となりました。

理論には加速電圧が励起エネルギー毎に極大値がでるあとありましたが、それは同じエネルギー準位のところで、原子が励起されるということを表していると考えていいのですか？？

なぜ毎回同じ準位で励起がおこるのでしょうか？

回答No.3

Mr_Holland · ベストアンサー

＃２です。
　補足を拝見しました。

＞とても不思議なのですが、１・２・３と定常状態があり、エネルギーもこの順番に大きいとします。それで３の状態で励起がおこることがあると思うのですが、なぜ１・２という状態では励起しなかったのでしょう…励起に十分なエネルギーがあるのに…

　まだ用語の使い方が変です。
　基底状態から励起された状態のエネルギ準位を低いほうからE1，E2，E3、・・・と数えていったときに、何故E1ばかりに遷移しE2やE3しないのか、と質問したほうがいいですよ。
　その疑問はもっともで、E2やE3にも遷移はあったと思います。ただその遷移の回数がE1に比べると圧倒的に少なかったので、グラフに現れなかったということだと思います（E1へ遷移しやすいのは分かりますよね。遷移確率はエネルギ差が小さいほど大きくなりますので）。その場合、グラフの変化だけでE2やE3への遷移がなかったと結論付けるのは早計です。
　もし、E2やE3への遷移があれば、発光のスペクトラムを解析すればそれに対応した波長が検出されるはずですので、それによって他のエネルギ状態への遷移を検証すると良いと思います。

＞もちろん波長は計算しました。すると70nmと可視領域を外れているのです。
＞これは電流の極大値とリングの出現は少し遅れていることと関係があるのではと考えています。しかし１回目では発光してないことによって考えはかなり難しい…

　この理由については分かりません。
　実験の内容（ガスの種類、実験装置の構成など）や極大値での加速電圧の間隔などを詳しく書いて、他の詳しい方が回答してくれるのを待ったほうがよいかもしれません。

回答No.2

Mr_Holland

＃１です。
　補足を拝見しました。

＞１回目の極大値が現れたときには発光がなかったのですが、２回目からはオレンジ色の発光がありました。
＞１回目には最もエネルギー準位の低いところに励起され、２回目以降はさらに高いエネルギーをもつところに励起されたということですか？

　さあ、それはどうでしょう。
　２回目以降も極大値の加速電圧の間隔は一定だったのですよね。
　だとすれば、基底状態から励起した先は、１回目と同じエネルギ準位だったと考えられます。
　２回目以降で発光が見られたのは、１回目より励起した原子が多くなったからではないでしょうか。もし３回目、４回目と進むにつれて発光の明るさが強くなっていれば、その裏づけになると思います。

　また、実験でどのようなガスを使われたのかは分かりませんが、極大値の間隔が分かっていれば、それと発光色との対応付けができると思います。
　極大値の加速電圧の間隔をV、１電子ボルトをeV、光速をｃ、プランク定数をh、波長をλとしますと、次の関係が成り立ちますので、ここから色との対応付けができるかと思います。
　　Ｖ・eV＝ｈｃ／λ　　∴λ＝ｈｃ／Ｖ・eV
　良ければ、計算してみてください。

補足

もちろん波長は計算しました。すると70nmと可視領域を外れているのです。

これは電流の極大値とリングの出現は少し遅れていることと関係があるのではと考えています。しかし１回目では発光してないことによって考えはかなり難しい…

とても不思議なのですが、１・２・３と定常状態があり、エネルギーもこの順番に大きいとします。それで３の状態で励起がおこることがあると思うのですが、なぜ１・２という状態では励起しなかったのでしょう…励起に十分なエネルギーがあるのに…

回答No.1

Mr_Holland

＞理論には加速電圧が励起エネルギー毎に極大値がでるあとありましたが、それは同じエネルギー準位のところで、原子が励起されるということを表していると考えていいのですか？？

　「同じエネルギー準位のところで、原子が励起される」というのは意味が分からないのですが、どういう意味でしょう。
　一定の加速電圧ごとに極大値が現れるのは、基底状態（常温では基底と考えられる)にある原子を次の状態に励起するのに必要なエネルギが一定であり、４つめの極大値は４回原子を励起した結果だといえます。つまり、極大値の間隔が一定なのは、同種の原子ならば、基底状態から励起するのに必要なエネルギは変わらないことを示しています。

＞なぜ毎回同じ準位で励起がおこるのでしょうか？

　「準位」と「励起」は何を指していますか？
　普通、準位という場合、原子のあるエネルギ状態のことを意味します。そして、励起とは、あるエネルギ準位から別の高いエネルギ準位へ状態を遷移させることを言います。
　したがって、質問者さんの言いたいところを推測して言葉を変えるとすれば、「なぜ毎回同じ準位間でエネルギの遷移を起こしているのでしょうか？」となると思います。
　もし、質問の趣旨がこれでよいとすれば、基底状態から次の最も低いエネルギ状態への遷移から優先して行われるからであり、他のエネルギ準位への遷移があるとしても、その影響が小さく、グラフには現れにくいから、と答えることになります。
　その影響といっていいのかは分かりませんが、極大値の回数が増えるにしたがって、ピークの降り方がなだらかになっていることと思いますが、これが基底状態から次のエネルギ準位以外への遷移が行われていることの影響だといえるかもしれません。

　ちなみに、フランク・ヘルツの実験に関して、よい解説のついた文献が下記URLで公開されています。簡潔にまとめられていますので、よければ一読してみてください。

http://www.shiga-ec.ed.jp/kagaku/05shisets/katsuyo/kiki_phys_12.pdf　１～４頁

補足

励起とか準位について言葉の使い方がわかっていませんでした。

Mr_Hollandさんの推測通りの質問です。ありがとうございました。

１回目の極大値が現れたときには発光がなかったのですが、２回目からはオレンジ色の発光がありました。

１回目には最もエネルギー準位の低いところに励起され、２回目以降はさらに高いエネルギーをもつところに励起されたということですか？