フランク＝ヘルツの実験

フランク＝ヘルツの実験：量子論を支えた画期的な発見

1914年、ジェイムス・フランクとグスタフ・ヘルツは、原子物理学の歴史に名を刻む実験を行いました。この実験は、原子が特定の離散的なエネルギー準位しか持たないことを示し、当時まだ発展途上だった量子論の重要な検証実験となりました。それまでの古典物理学では説明できなかった原子構造の謎を解き明かす突破口となったのです。

実験の背景

光と物質の相互作用に関する研究が進展する中、原子の発光スペクトルが特定の離散的な周波数を持つことが明らかになっていました。この事実は、原子が連続的なエネルギー状態ではなく、離散的なエネルギー準位を持つことを示唆していました。しかし、光の吸収・放出以外の方法でこの仮説を検証する必要がありました。そこでフランクとヘルツは、電子を加速して原子に衝突させ、そのエネルギー変化を調べる実験を考案したのです。

実験方法

実験装置は、希薄な水銀蒸気を封入した放電管から構成されています。放電管の中には、陰極、格子、陽極という3つの電極が配置されています。陰極から放出された電子は、電場によって加速され、水銀原子と衝突します。格子と陽極間の電圧を調整することで、衝突後の電子のエネルギーを制御できます。実験では、陰極と格子間の電圧（加速電圧）を系統的に変化させながら、陽極に到達する電子の電流を測定しました。

実験結果と解釈

加速電圧が低い範囲では、電流は電圧に比例して増加します。しかし、ある特定の電圧に達すると、電流は急激に減少します。その後、電圧をさらに上げると電流は再び増加し、さらに別の特定の電圧で再び減少するという現象が繰り返されました。この電流の減少は、加速された電子が水銀原子と衝突し、そのエネルギーの一部を水銀原子に与え、自身のエネルギーを失うことで説明できます。

重要なのは、電流が減少する電圧が、一定の値の整数倍になっている点です。これは、水銀原子が特定の離散的なエネルギー準位しか持たず、電子はそのエネルギー準位に相当するエネルギーだけを吸収できることを示しています。電子が水銀原子のエネルギー準位に一致するエネルギーを持つと、そのエネルギーを水銀原子が吸収し、電子はエネルギーを失って陽極に到達できなくなります。この現象は、原子のエネルギー準位が離散的であるという量子論の仮説を強く支持する結果となりました。

ノーベル賞受賞と歴史的意義

フランクとヘルツのこの画期的な実験は、量子論の発展に多大な貢献をしました。彼らの研究成果は、1925年のノーベル物理学賞受賞という栄誉に輝き、量子論の確立に大きく貢献した実験として歴史に刻まれました。

まとめ

フランク＝ヘルツの実験は、原子のエネルギー準位が離散的であることを実験的に証明した、量子力学におけるランドマーク的な研究です。この実験は、量子論の基礎概念を理解する上で非常に重要であり、現代物理学における多くの発展の礎となっています。本実験は、原子構造の理解を深め、量子力学の確立に大きく貢献しただけでなく、現代科学技術の基礎を築く上で重要な役割を果たしました。

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