歷史 物理

1925年諾貝爾物理獎: 詹姆斯‧法蘭克(James Franck)和古斯塔夫・赫茲(Gustav Hertz)

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撰文者:余海峯 博士(物理雙月刊 副總編輯,費米伽瑪射線太空望遠鏡研究團隊成員)
發文日期:2018-01-31
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  • 1925年諾貝爾物理奬由詹姆斯‧法蘭克(James Franck)和古斯塔夫・赫茲(Gustav Hertz)共同獲得,以表揚他們以實驗證明了1922年諾貝爾物理獎得主波耳建構於量子物理的原子模型。
    圖片 1
    [左:詹姆斯・法蘭克的諾貝爾獎官方照片。右:古斯塔夫・赫茲的諾貝爾獎官方照片。]
     
    這個實驗就是以往在高中物理課裡會討論到的法蘭克-赫茲實驗(Franck-Hertz experiment)。根據波耳原子模型,原子中的電子只能在特定軌道上環繞原子核運動。因此當原子吸收能量時,必須吸收剛好等於兩個能階之差的能量,不能多也不能少。這就是量子特性,在當年是個非常新穎的概念。

    雖然波耳的量子原子模型能夠解釋盧瑟福(1908年諾貝爾化學獎得主)的原子模型所不能解釋的實驗數據,科學家普遍對波耳的量子原子模型存疑,因為量子概念實在太偏離常識了。不過,大自然可不理會人類的常識啊。

    當兩個物體碰撞時,動能可以被轉換成其他類別的能量,這叫做非彈性碰撞(總動能有所改變)。相反,如果在碰撞後其總動能不變,就叫做彈性碰撞(總動能沒有改變)。由於一個原子只能吸收等於兩個能階之差的能量,如果一個電子撞上原子但能量不夠的話,這就會是彈性碰撞,能量就不會轉移,電子和原子各自的動能就會維持不變。
    圖片 2
    [法蘭克-赫茲實驗結果,可見抵達另一端的電流每4.9電子伏特就會急促下降一次。]
     
    在法蘭克-赫茲實驗裡,他們使用電壓把電子從一邊加速到另一邊。整個實驗模組被放在一個充滿揮發了的水銀的破玻璃器皿中。水銀原子能階之中最外側電子躍遷到上一個能階需要4.9電子伏特,所以當被加速電子碰到水銀原子時,如果電子動能少於4.9電子伏特,就必定是彈性碰撞;如果電子動能等於或大於4.9電子伏特,就有可能是非彈性碰撞,動能可能轉移成水銀電子躍遷的能量。

    法蘭克和赫茲發現,當把加速電子的電壓提高每4.9電子伏特,能夠順利抵達另一端的電子數量(即電流)就會突然下降。這個簡單而直接的結果驗證了波耳的量子原子模型。

    順帶一提,為防止入侵丹麥的納粹軍奪得獎章,法蘭克的獎章和1914年諾貝爾物理獎得主范勞厄的獎章一起被溶在王水之中,之後再重新鑄成獎章。這果然是非常科學的做法啊!

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