Experimentos de premio Nobel que entenderás: Franck-Hertz y las capas atómicas

Corría el año 1914 cuando dos investigadores: Gustav L. Hertz y James Franck, presentaron ante la academia alemana un experimento en el que explicaban la dinámica de choques entre partículas y átomos así como arrojaban luz por primera vez sobre la estructura interna del átomo. Veamos poco a poco por qué este experimento resulta tan increíble y cómo se entiende de forma asequible para todos.

Partes de experimento

Para este expermiento contamos con 4 partes básicas: una fuente de electrones, una celda con un gas a baja presión, unos electrodos para acelerar y frenar los electrones a nuestro gusto, y un colector que recogerá los electrones que atraviesen todo el circuito en forma de señal eléctrica.

Los electrodos en la celda de presión tienen una disposición especial. De las 2 zonas que se crean, en la primera aceleramos los electrones y en la segunda los frenamos. De esa forma controlamos en la primera zona la energía cinética máxima que pueden tener y en la última zona solo dejamos pasar los electrones que tienen una cierta velocidad minima. Lo realmente increíble pasa en la primera zona, la de aceleración.

Datos e interpretación del experimento

A medida que aumentamos la velocidad máxima de los electrones en la primera zona la señal que se recoge al final aumenta hasta que de repente esta señal cae. Ya no hay electrones rápidos que lleguen a la segunda zona. Además, comenzamos a ver un misterioso disco de color brillante que se mueve del segundo electrodo al primero. Si seguimos aumentando la velocidad de estos electrones encontraremos que el patrón se repite dando lugar a la gráfica que podéis ver. Pero ¿por qué?

Empecemos por los picos que se ven en la gráfica. Esta parte, que es el análisis principal del experimento de Franck-Hertz (y por lo que les dieron el Nobel en 1927) se puede entender si consideramos que los electrones de un átomo están distribuidos en capas con diferentes energías negativas (enlazantes con el núcleo). Cuando los electrones que nosotros mandamos tienen igual o mayor energía positiva que los electrones en el átomo, estos pueden chocar y se tiene como resultado dos electrones casi sin velocidad, que no llegarán al colector. Esto se repite porque los electrones después del choque consiguen energía para arrancar nuevos electrones; esto para voltajes de aceleración muy altos.

Y ahora vamos con los discos “alienígenas” de colores. Para esto tenemos que pensar en lo átomos del gas, después de que les hemos arrancado electrones. La tendencia es rellenar ese “hueco” con algún electrón que encuentre por ahí. Si el electrón estaba quieto, al caer al núcleo pasa a tener energía negativa; para que la energía se conserve es necesario que se emita un fotón de luz. Todos estos fotones emitidos desde los átomos que recuperan electrones, forman el disco; es decir, ¡estamos viendo los átomos a los que se les ha arrancado electrones! El color que se ve en las fotos, depende del gas que haya en el interior.

El hecho de que se muevan estos discos de color obedece al hecho de que cada vez se arrancan electrones más cerca del electrodo inicial. De hecho, si pudieramos ver ambas cosas a la vez, observaríamos que la caída de la señal eléctrica coincide con la aparición de los discos de color en el segundo electrodo. Una prueba más de que nuestra explicación funciona.

Un experimento de premio Nobel

Y así, señores, es como se gana un premio Nobel, o cómo se ganó en el año 1927, mejor dicho. Tampoco parece tan compliado cuando te lo explican, ¿no? Sea como fuere, sabéis que siempre podéis preguntar en los comentarios lo que no hayamos explicado bien. Si os gusta este tipo de explicaciones de experimentos famosos, hacednoslo saber, que hay muchos experimentos muy interesantes esperando ser publicados.