에너지 준위와 여기에너지, 탄성충돌 등의 개념을 익히고 원자가 양자화 되어 있는 모습을 거의 직접적으로 관찰한다.
2.원리
열전자를 가속하여 전자빔을 만들어 저압 기체 속을 지나가게 하여 그 원자와 충돌시키도록 한다. 이 전자흐름에 의한 전류의 세기를 조사하면 전자가 원자와의 충돌에 의해 어떤 에너지의 변화를 받는가를 알 수 있다. 실험결과, 가속 전압이 점차 증가하여 어느 한계에 도달하면 전류가 급격히 감소하고, 가속 전압이 증가하면 전류는 다시 증가하여 전압이 제2차 한계 값에 이르면 다시 급속히 감소하고, 이후에는 이와 같은 전류의 극대 값이 반복된다.
프랑크-헤르츠관과 전압 조절기, 또한 전류계, 전압계 등이 필요하다. 또한 프랑크-헤르츠관속의 측정원소로서 수은을 사용하는 경우에는 관을 가열하여 증기화 시킬 수 있는 오븐이 필요하다. 대체로 여러 가지의 실험장치가 기본적으로 아래와 같은 회로에 바탕을 두고 있으며, 경우에 따라서는 G그리드가 생략되어 있기도 하다.
위의 프랑크-헤르츠 실험장치는 네온이 봉입된 관을 쓰고 또한 관과 전원, 전류계, 전압계가 일체형으로 되어 있는 대표적인 모델이다.
ⓐ power : 전원스위치
ⓑ Heater-Vol : F-H관 내부의 Heater에 걸리는 전압을 조정하여 캐소드에서의 열전자 방출량을 증감시킨다.
ⓒ G-K : G-K간에 걸리는 전압 조절.
ⓓ G-P : G-P간에 걸리는 전압(역전압 V )을 조절.
ⓔ G-K : G-K간에 걸리는 전압(가속전압 V )을 조절.
ⓕ 전압계 : 가속전압 V를 표시하는 전압계
ⓖ Zero : 전류계에 전류가 흐르지 않을 때에 정확하게 0점을 표시하도록 함.
ⓗ Gain : 직류증폭기의 증폭류를 조절한다. 보통 손잡이에 표시되어 있는 마크가 위쪽으로 오게 사용하면 좋다.(이 손잡이는 External-Internal 스위치가 Internal일 경우에만 관계 하므로 측면의 외부 전류계를 연결하여 전율을 연결하여 전류를 측정할 때에는 효과 없다.)
ⓘ Auto-Manu : 자동-수동 스위치. F-H관의 제 2그리드와 캐소드간의 전압(가속전압)을 G-K 손잡이(ⓔ)로 가속전압을 조절하여 실험할 때에는 Menu(al)에 놓고 사용하고 자동으로 변하게 할 때에는 Auto(matic)에 놓고 사용한다. 자동 사용시에는 G-K 손잡이를 최대로 돌리면 변하는 가속전압의 범위가 최대로 커진다.
ⓙ External-Internal : OSC(oscilloscope)를 연결할 때와 외부 전류계를 연결하여 사용할 때에는 External으로 전환하여야 한다. 내부 전류계(①)을 사용할 때에는 External으로 전환하여야 한다.
ⓚ Meter-OSC : OSC를 연결하여 관찰할 때에는 OSC위치로 전환하여 사용하고 외부 전류계를 사용할 때에는 Meter로 전환하여 사용한다.
ⓛ 전류계 : 플레이트에 흐르는 전류를 표시해 준다.(이 전류는 직류 증폭기를 거쳐 증폭된 전류)
ⓜ OSC-V,E,H단자 : OSC와 연결하여 파형을 관찰할 때 사용한다.
V : Vertical(OSC의 Y축에 입력)
E : Earth(접지)
H : Horizental(OSC의 X축에 입력)
ⓝ P-G(I) : 플레이트 전류를 외부 Meter로 측정할 수 있는 단자.(단 ⓙ스위치를 External에 놓을 것)
ⓞ G-K(E) : 제 2그라운드와 캐소드간의 가속전압을 외부 Volt Meter로 측정할 수 있는 단자.(이 단자는 항상 내부와 연결되어 전압이 걸려 있다. ∵전압계는 병렬연결)
ⓟ Heater Terminal Short Switch L Heater 전류를 측정할 경우에는 교류전류계를 ⓠ단자에 연결한 후 open에 전환한다. 전류계를 연결하지 않을 때에는 Short에 놓는다.
ⓠ Heater(I) : 이 단자는 교류전류게(1A 이상)를 접속하여 Heater 전류를 읽을 수 있다.

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