ફ્રેન્ક-હર્ટ્ઝનો પ્રયોગ : ક્રાંતિક સ્થિતિમાન (critical potential) માપવા માટેનો પ્રયોગ.
મુક્ત અને વિદ્યુત-તટસ્થ પરમાણુને તેની ધરાવસ્થા(ground state)માંથી નજીકની વધુ ઊર્જાવાળી કક્ષાની સ્થિતિ એટલે કે ઉત્તેજિત અવસ્થામાં લઈ જવા માટે જરૂરી લઘુતમ ઊર્જાને (eVમાં) ક્રાન્તિક સ્થિતિમાન કહે છે. eV – ઇલેક્ટ્રૉન વોલ્ટ એ પરમાણુભૌતિકવિજ્ઞાનમાં વપરાતો ઊર્જાનો એકમ છે. એક વોલ્ટ વિદ્યુતસ્થિતિમાનનો તફાવત ધરાવતા વિદ્યુતક્ષેત્રમાં થઈને પસાર થતા ફેરફારને એક ઇલેક્ટ્રૉન વોલ્ટ કહે છે. 1 eV = 1.602 x 10–19 જૂલ.
સામાન્યત: પરમાણુ વિદ્યુતીય ર્દષ્ટિએ તટસ્થ હોય છે, કારણ કે તેના ન્યૂક્લિયસમાં રહેલા પ્રોટૉનના ધન વીજભાર બરાબર તેની આસપાસ જુદી જુદી કક્ષામાં ભ્રમણ કરતા ઇલેક્ટ્રૉનનો ઋણ વીજભાર હોય છે. પરમાણુમાં કક્ષાઓને અનુરૂપ ઊર્જાસ્તરો હોય છે. વિદ્યુત-તટસ્થ પરમાણુની સ્થિતિજ-ઊર્જા (potential energy) લઘુતમ હોય છે. પરમાણુની લઘુતમ સ્થિતિજ-ઊર્જાવાળી અવસ્થાને ધરાવસ્થા કહે છે. ધરાવસ્થાની ઊર્જા કરતાં વધુ ઊર્જા ધરાવતી સ્થિતિઓને ઉત્તેજિત અવસ્થા (excited state) કહે છે. ધરાવસ્થામાં રહેલ ઇલેક્ટ્રૉનને ઉત્તેજિત અવસ્થામાં મોકલવા માટે પરમાણુને બહારથી ઊર્જા આપવી પડે છે. બહારથી મળતી ઊર્જાના શોષણ બાદ આવો ઇલેક્ટ્રૉન વધુ ઊર્જાવાળી કક્ષામાં કૂદી પડે છે. ઇલેક્ટ્રૉનને તેના ઉપર અન્ય યોગ્ય કણના સંઘાત (collision) વડે પારજાંબલી (ultraviolet) જેવા પ્રબળ પ્રકાશના ફોટૉનની અથડામણ વડે, એક્સ-કિરણો વડે અથવા બહારથી ઉષ્મા પૂરી પાડીને વધુ ઊર્જાવાળી અવસ્થામાં લઈ જઈ શકાય છે. આ રીતે પરમાણુ ઉત્તેજિત થાય છે. આ બધી રીતોમાં અથડામણની રીત સૌથી વધારે અસરકારક હોય છે. અથડામણો બે પ્રકારની હોય છે : (1) સ્થિતિસ્થાપક (elastic) : સ્થિતિસ્થાપક અથડામણમાં ગતિ-ઊર્જાનું સંરક્ષણ (conservation) થાય છે. (2) અ-સ્થિતિસ્થાપક (non-elastic) : અસ્થિતિસ્થાપક અથડામણમાં ગતિઊર્જાનું સંરક્ષણ થતું નથી. ઇલેક્ટ્રૉનની અંશત: ઊર્જા પરમાણુને મળે છે; પરિણામે પરમાણુની આંતરિક ઊર્જા(internal energy)માં વધારો થાય છે. જો પરમાણુને પૂરતા પ્રમાણમાં ઊર્જાનું શોષણ કરવાની તક મળે તો ઇલેક્ટ્રૉન ઉત્તેજિત થઈને પરમાણુની બહાર નીકળી જાય છે. આ ઘટનાને આયનીકરણ (ionisation) કહે છે. આ રીતે પરમાણુનું આયનીકરણ થાય છે. આ સંજોગોમાં અગાઉ વિદ્યુત-તટસ્થ રહેલ પરમાણુ ધન વિદ્યુતભારિત બને છે, જેને ધન આયન કહે છે.
ઉત્તેજિત થયેલો પરમાણુ અતિઅલ્પ સમયમાં (આશરે 10–8 સેકન્ડમાં) એક અથવા વધુ ફોટૉન ઉત્સર્જિત કરીને ધરાવસ્થા પુન: પ્રાપ્ત કરે છે.
ક્રાન્તિસ્થિતિમાન અસ્થિતિસ્થાપક અથડામણ અથવા ઉત્સર્જિત થતા વિકિરણની તરંગલંબાઈ માપીને જાણી શકાય છે. આ માટે ફ્રૅન્ક-હર્ટ્ઝે 1914માં પ્રયોગ કર્યો. પરમાણુના ઊર્જાસ્તરો વિભક્ત (discrete) હોય છે અને આની પ્રતીતિ પરમાણુના રેખીય વર્ણપટ (line spectrum) ઉપરથી મળી રહે છે. ઉપરાંત પરમાણુના ઊર્જાસ્તરો (levels) પણ જાણી શકાય છે. આ બધું ફ્રૅન્ક-હર્ટ્ઝના પ્રયોગથી પ્રમાણિત થાય છે.
ફ્રૅન્ક-હર્ટ્ઝે થોડીક લાંબી અને પહોળી કાચની નળીમાં ફિલામેન્ટ (F), ગ્રીડ (G) અને પ્લેટ (P) ટ્રાયૉડ વાલ્વમાં હોય છે તે રીતે ગોઠવ્યાં. નીચા દબાણે (આશરે 1.0 મિમી. પારાના દબાણે) યોગ્ય તત્વના વાયુને આ નળીમાં ભરવામાં આવે છે. અલગ વિદ્યુતબૅટરી વડે ફિલામેન્ટમાં વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર કરવાથી તે ગરમ થાય છે અને ઇલેક્ટ્રૉનનું ઉત્સર્જન કરે છે. ધન વિદ્યુતદબાણ ધરાવતી ગ્રીડ વડે આવા ઇલેક્ટ્રૉન આકર્ષાઈને પ્રવેગિત બને છે. પ્લેટ ગ્રીડની સરખામણીમાં ઋણ વિદ્યુતદબાણ ધરાવે છે. આથી ગ્રીડમાંથી પસાર થતા ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિ ઘટે છે, પરંતુ આવા ઇલેક્ટ્રૉન પૂરતી ઊર્જા ધરાવતા હોઈ પ્લેટ ઉપર પહોંચી શકે છે. પરિણામે તેમાં પ્લેટ-પ્રવાહ I મળે છે.
આકૃતિ 1
પ્લેટનું ઋણ વિદ્યુતદબાણ અચળ રાખીને ફિલામેન્ટ અને પ્લેટ વચ્ચેના વિદ્યુત-સ્થિતિમાનના તફાવત(V)માં ક્રમશ: થોડો થોડો વધારો કરીને પ્લેટ-પ્રવાહ Iની નોંધ કરી લેવામાં આવે છે. વિદ્યુતપ્રવાહ (I) અને વિદ્યુત-સ્થિતિમાનના તફાવત(V)નો આલેખ તૈયાર કરવામાં આવે છે.
આકૃતિ 2
નળીમાં હાઇડ્રોજન વાયુ લઈને પ્રયોગ કરતાં માલૂમ પડે છે કે વિદ્યુત-સ્થિતિમાનનો તફાવત વધારતાં વિદ્યુતપ્રવાહ શૂન્યથી વધી મહત્તમ બને છે, મહત્તમથી ઘટીને લઘુતમ બને છે અને એ રીતે વિદ્યુતપ્રવાહની મહત્તમ લઘુતમ સ્થિતિ આકૃતિ 2માં આલેખ દ્વારા દર્શાવી છે. V = 10.2 વોલ્ટ થતાં વિદ્યુતપ્રવાહ લઘુતમ બને છે. V = 12.09 વોલ્ટ થતાં ફરીથી વિદ્યુતપ્રવાહ લઘુતમ બને છે. V = 10.2 વોલ્ટને પ્રથમ અનુનાદ અથવા ઉત્તેજિત સ્થિતિમાન (resonance અથવા excitation potential) કહે છે.
ઇલેક્ટ્રૉન પ્રથમ કક્ષા(n = 1)માંથી દ્વિતીય કક્ષા (n = 2) ઉપર જાય ત્યારે પરમાણુની પ્રથમ ઉત્તેજિત અવસ્થા મળે છે. અહીં ઇલેક્ટ્રૉનને વધુ ઊર્જાવાળી અવસ્થામાં જવા માટે બહારથી ઊર્જાનું શોષણ કરવું પડે છે. આ રીતે શોષેલી ઊર્જા ઇલેક્ટ્રૉન n = 2માંથી n = 1માં પરત થાય ત્યારે વિકિરણ(ફોટૉન)નું ઉત્સર્જન કરે છે. આ વિકિરણની તરંગલંબાઈ 1215 Å હોય છે, જે લિમેન શ્રેણીની પ્રથમ તીવ્રરેખા છે. 12.09 માટે બીજી ઉત્તેજિત સ્થિતિ મળે છે તે સમયે ઉત્સર્જિત વિકિરણની તરંગલંબાઈ 1025 Å છે. આ લિમેન શ્રેણીની બીજી રેખા છે.
ફ્રૅન્ક-હર્ટ્ઝે પ્રયોગ કર્યો ત્યારે તેમણે પારાના પરમાણુ માટે પ્રથમ ઉત્તેજિત સ્થિતિમાન 4.9 વોલ્ટ અને બીજી માટે 9.8 વોલ્ટ મળ્યું હતું. જુદા જુદા વાયુઓનાં અવલોકન લઈને સમાન પરિણામો મળતાં, વર્ણપટરેખાઓ અને તેમને અનુરૂપ ઉત્તેજિત સ્થિતિમાન વચ્ચે સંબંધ સ્થાપિત કરવાનું શક્ય બન્યું. તેના સારાંશ રૂપે કહી શકાય કે પરમાણુની અંદર ઊર્જાસ્તરો વિભક્ત અને સ્થિર (stationary) હોય છે.
ઉપરાંત પ્લાંકે પ્રતિપાદિત કર્યું હતું કે પદાર્થમાંથી ઉત્સર્જિત થતું વિકિરણ ઊર્જાના નિશ્ચિત જથ્થાઓ(quanta)ના સ્વરૂપે થાય છે. ઊર્જાના આ નિશ્ચિત જથ્થાને ફોટૉન કહે છે. આવા ફોટૉનનું ઉત્સર્જન અસતત (discontinuous) હોય છે. પ્લાંકની આ વિચારધારાને ફ્રૅન્ક-હર્ટ્ઝના પ્રયોગથી અનુમોદન મળી રહે છે. ઊર્જાનું ઉત્સર્જન ફોટૉન સ્વરૂપે થાય છે તે વિચાર પ્લાંકનો હતો. આ સાથે આઇન્સ્ટાઇને પણ પ્રતિપાદિત કર્યું કે વિકિરણઊર્જાનું શોષણ પણ નિશ્ચિત જથ્થામાં એટલે કે ફોટૉન સ્વરૂપે જ થાય છે. આ બાબતને પણ ફ્રૅન્ક-હર્ટ્ઝનો પ્રયોગ અનુમોદન આપે છે.
હરગોવિંદ બે. પટેલ