¿Qué demuestra el experimento de Franck Hertz?

El Experimento de Franck-Hertz: Una Ventana a la Cuantización de la Energía Atómica

El año 1914 marcó un hito en la física con la presentación del experimento de Franck-Hertz, un trabajo pionero que proveyó la primera evidencia eléctrica directa de la naturaleza cuántica de la energía en los átomos. Si bien las ideas de Max Planck sobre la cuantización de la energía ya rondaban en el ambiente científico, este experimento proporcionó una demostración tangible y, por lo tanto, significativamente más convincente de que la energía no se absorbe de manera continua, sino en paquetes discretos, o cuantos.

Desvelando la Discontinuidad Energética

En esencia, el experimento consistía en bombardear átomos de mercurio gaseoso con electrones emitidos por un cátodo. Los electrones acelerados por un voltaje controlado, atravesaban una rejilla antes de llegar a un ánodo. Al aumentar gradualmente el voltaje, se observaba un aumento en la corriente eléctrica (es decir, en el flujo de electrones que alcanzaban el ánodo).

La observación crucial residía en que la corriente no aumentaba de forma lineal y continua con el voltaje. En su lugar, se observaban caídas repentinas en la corriente a intervalos regulares de voltaje. Estas caídas indicaban que los electrones, al alcanzar una cierta energía cinética, estaban perdiendo energía de manera significativa al colisionar con los átomos de mercurio.

La Interpretación Cuántica: La Clave del Éxito

¿Por qué esta pérdida de energía era repentina y discreta? Aquí radica la brillantez del experimento. La interpretación propuesta por Franck y Hertz era que los electrones, al alcanzar una energía específica (correspondiente a un voltaje particular), transferían su energía a los átomos de mercurio, excitándolos a un nivel de energía superior.

La clave es que la energía transferida no podía ser una cantidad arbitraria. Debía ser la cantidad exacta necesaria para que el átomo de mercurio saltara de su estado fundamental (su estado de mínima energía) a un estado excitado específico. Una vez que la energía de los electrones era suficiente para excitar estos átomos, estos absorbían la energía, lo que resultaba en que los electrones perdían velocidad y, por lo tanto, menos llegaban al ánodo, causando la caída en la corriente observada.

Al aumentar aún más el voltaje, los electrones recuperaban la energía suficiente para volver a excitar los átomos de mercurio, y la corriente volvía a aumentar hasta que se alcanzaba el siguiente nivel de energía excitado, momento en el cual la corriente volvía a caer.

Impacto y Legado del Experimento

El experimento de Franck-Hertz no solo proporcionó una confirmación experimental directa de la existencia de niveles de energía cuantificados en los átomos, sino que también:

• Reforzó la teoría cuántica: Otorgó una base experimental sólida a las ideas revolucionarias de Planck y Einstein sobre la cuantización de la energía.
• Ayudó a comprender la estructura atómica: Permitió inferir la existencia de niveles de energía discretos dentro de los átomos, contribuyendo al desarrollo de modelos atómicos más precisos.
• Allanó el camino para futuras investigaciones: Estimuló la investigación en espectroscopia y otros campos relacionados con la interacción de la materia y la radiación.

En conclusión, el experimento de Franck-Hertz, aunque relativamente sencillo en su concepción, demostró de manera convincente y medible que los átomos solo pueden absorber energía en cantidades discretas, confirmando la validez de la teoría cuántica y abriendo una nueva era en la comprensión de la estructura y el comportamiento de la materia. Su impacto perdura hasta nuestros días, sirviendo como un ejemplo clásico de cómo un experimento bien diseñado puede transformar nuestra comprensión fundamental del universo.