基本介紹
- 中文名：弗蘭克—赫茲實驗
- 外文名：Frank-Hertz experiment
- 實驗人：詹姆斯·弗蘭克，古斯塔夫·路德維希·赫茲
- 證明：原子內部結構存在分立的定態能級
- 學科：量子力學
- 發生時間 ：1914年
簡介,實驗設定,實驗結果詮釋,其它氣體效應,
簡介
1914年，詹姆斯·弗蘭克（James Franck，1882~1964）和古斯塔夫·路德維希·赫茲（Gustav Ludwig Hertz，1887~1975）在研究中發現電子與原子發生非彈性碰撞時能量的轉移是量子化的。他們的精確測定表明，電子與汞原子碰撞時，電子損失的能量嚴格地保持4.9eV，即汞原子只接收4.9eV的能量。由於他們的工作對原子物理學的發展起了重要作用，曾共同獲得1925年的諾貝爾物理學獎。
弗蘭克
弗蘭克－赫茲實驗為能級的存在提供了直接的證據，對玻爾的原子理論是一個有力支持。弗蘭克擅長低壓氣體放電的實驗研究。1913 年他和G.赫茲在柏林大學合作，研究電離電勢和量子理論的關係，用的方法是勒納德（P.Lenard ）創造的反向電壓法，由此他們得到了一系列氣體，例如氦、氖、氫和氧的電離電勢。後來他們又特地研究了電子和惰性氣體的碰撞特性。
實驗設定
這個經典實驗的主要實驗器具是一個類似真空管的管狀容器，稱為水銀管，內部充滿溫度在 
與
之間，低氣壓的水銀氣體。水銀管內，裝了三個電極：陰極、網狀控制柵極、陽極。陰極的電勢低於柵極跟陽極的電勢，而陽極的電勢又稍微低於柵極的電勢。陰極與柵極之間的加速電壓是可以調整的。通過電流將鎢絲加熱，鎢絲會發射電子。由於陰極的電勢高於鎢絲的電勢，陰極會將鎢絲髮射的電子往柵極方向送去。因為加速電壓作用，往柵極移動的速度和動能會增加。到了柵極，有些電子會被吸收；有些則會繼續往陽極移動。通過柵極的電子，必須擁有足夠的動能，才能夠抵達陽極；否則，會被柵極吸收回去。裝置於陽極支線的安培計可以測量抵達陽極的電流。
弗蘭克—赫茲（汞管）原理圖及曲線
- 當加速電壓很低，小於 4.9V時，隨著電壓的增加，抵達陽極的電流也平穩地單調遞增。
- 當電壓在 4.9V時，由於非彈性碰撞，電子能量絕大部分交換給了汞原子，電流猛烈地降低，幾乎降至 0 安培。
- 繼續增加電壓。再一次，同樣地，電流也跟隨著平穩地增加，直到電壓達到 9.80伏特（再次能量交換給了其他汞原子）。又觀察到類似的電流猛烈降低。
- 電壓每增加 4.9 V，電流就會猛烈降低。這樣系列的行為最少繼續維持至 100 伏特電壓。
實驗結果詮釋
水銀原子的電子的最低激發能量是 4.9eV。當加速電壓升到 4.9 伏特時，每一個移動至柵極的自由電子擁有至少 4.9eV動能（外加電子在那溫度的靜能）。自由電子與水銀原子可能會發生非彈性碰撞。自由電子的動能可能被用來使水銀原子的束縛電子從一個能量量子態躍遷至另一個能量量子態，從而增加了束縛電子的能極，稱這過程為水銀原子被激發。但是，經過這非彈性碰撞，自由電子失去了 4.9eV 動能，它不再能克服柵極與陽極之間負值的電壓。大多數的自由電子會被柵極吸收。因此，抵達陽極的電流會猛烈地降低。
假設加速電壓超過 4.9 伏特，自由電子會在從陰極移動至柵極的路途中，遇到一個非彈性碰撞，失去 4.9 eV，然後繼續被加速。照著這方式，在電壓超過 4.9V之後，電流重新單調遞增。當電壓在 9.8 伏特時，情況又有改變。每一個自由電子有足夠的能量造成兩次非彈性碰撞，失去 9.8eV 。自由電子又無法抵達陽極。安培計讀到的電流再度會猛烈地降低。電壓每增加 4.9 伏特，就會發生一次這種狀況，電子累積足夠能量(4.9eV的整數倍)後，造成更多次的非彈性碰撞。
