¿Qué demostró el experimento de Franck-Hertz para el mercurio?

El Experimento de Franck-Hertz con Mercurio: Una Mirada Profunda a la Cuantización de la Energía

El experimento de Franck-Hertz, realizado en 1914 con vapor de mercurio, se erige como un pilar fundamental en la historia de la física atómica. Más allá de su simple enunciado, este experimento ofrece una profunda comprensión de la naturaleza discreta de la energía dentro del átomo, validando de forma experimental el modelo atómico propuesto por Niels Bohr. A diferencia de las interpretaciones superficiales, profundicemos en los detalles cruciales que hacen de este experimento un hito científico.

El experimento, en esencia, consistió en acelerar electrones a través de un tubo de vacío que contenía vapor de mercurio a baja presión. Un voltaje variable se aplicaba entre un cátodo emisor de electrones y un ánodo colector. La corriente medida entre estos electrodos proporcionaba información vital sobre las interacciones entre los electrones acelerados y los átomos de mercurio.

Lo significativo del experimento no reside simplemente en la observación de colisiones, sino en la naturaleza de esas colisiones. A medida que el voltaje de aceleración se incrementaba gradualmente, la corriente medida también aumentaba, indicando un flujo creciente de electrones que alcanzaban el ánodo. Sin embargo, al llegar a un voltaje crítico de aproximadamente 4.9 voltios, la corriente experimentaba una caída abrupta. Esta caída no se debe a una dispersión aleatoria de los electrones, sino a un fenómeno mucho más profundo.

El experimento de Franck-Hertz con mercurio demostró que los electrones, al colisionar con los átomos de mercurio, no cedían energía de forma continua. En cambio, la energía se transfería en cantidades discretas, o cuantos. Cuando la energía cinética de los electrones alcanzaba un valor específico (correspondiente a los 4.9 voltios), eran capaces de excitar a los átomos de mercurio a un estado de energía superior. Este proceso de excitación consumía toda la energía cinética del electrón, impidiéndole llegar al ánodo y causando la disminución de la corriente.

Tras la excitación, el átomo de mercurio, inestable en su estado excitado, regresaba a su estado fundamental emitiendo un fotón de luz ultravioleta con una longitud de onda precisa de 254 nanómetros. La energía de este fotón correspondía exactamente a la diferencia de energía entre los dos niveles energéticos del átomo de mercurio, corroborando la cuantificación de la energía y la existencia de niveles de energía discretos dentro del átomo.

La importancia del experimento radica en su contundente evidencia experimental que apoya el modelo atómico de Bohr. Este modelo postulaba que los electrones orbitan el núcleo en niveles de energía definidos, y la transición entre estos niveles implica la absorción o emisión de fotones con energías específicas. El experimento de Franck-Hertz con mercurio proporcionó la prueba experimental directa de esta hipótesis, consolidando la comprensión moderna de la estructura atómica y sentando las bases para el desarrollo de la mecánica cuántica. No se trata solo de la observación de una colisión, sino de la confirmación precisa de una teoría revolucionaria sobre la naturaleza misma de la materia.