آزمایش فرانک-هرتز اولین اندازه‌گیری الکتریکی‌ای بود که به‌طور واضح ماهیت کوانتومی اتم‌ها را نشان داد. این آزمایش در سال ۱۹۱۴ توسط جیمز فرانک و گوستاو هرتز معرفی شد. فرانک و هرتز یک لامپ خلأ را برای مطالعه انرژی الکترون‌هایی که در میان بخار رقیق اتم‌های جیوه در حرکت بودند، طراحی کردند. آن‌ها دریافتند که الکترون‌ها پس از هر بار برخورد با اتم‌های جیوه، تنها مقدار مشخصی از انرژی جنبشی‌شان (۴.۹ الکترون ولت) را از دست می‌دهند. این اتلاف انرژی باعث کاهش سرعت الکترون‌ها از ۱.۳ میلیون به صفر متر بر ثانیه می‌شود. الکترون‌های سریع‌تر (با سرعت بیشتر از ۱.۳ میلیون متر بر ثانیه) پس از یک برخورد به‌طور کامل متوقف نمی‌شدند اما دقیقاً به همین میزان انرژی جنبشی‌شان (۴.۹ الکترون ولت) را از دست می‌دادند. الکترون‌های آهسته‌تر بدون از دست دادن میزان سرعت و یا انرژی‌شان، صرفاً در برخورد با اتم‌های جیوه تغییر جهت می‌دادند.

این نتایج تجربی با مدل اتمی بور که در سال قبل توسط نیلز بور ارائه شده بود، مطابقت داشت. مدل بور پایه مکانیک کوانتومی و مدل آرایش الکترونی اتم‌ها است. طبق این مدل، الکترون در یک اتم تنها می‌تواند یکی از سطوح انرژی کوانتومی را اشغال کند. پیش از برخورد، الکترون درون اتم جیوه، در پایین‌ترین سطح انرژی ممکن قرار دارد. پس از برخورد، الکترون سطح انرژی‌ای به میزان ۴.۹ الکترون ولت بالاتر از سطح انرژی قبلی را اشغال می‌کند. این بدین معناست که اکنون الکترون پیوند ضعیف‌تری با اتم جیوه دارد. در مدل کوانتومی بور هیچ سطح میانی‌ای بین این دو سطح انرژی تعریف نشده بود. چنین ویژگی‌ای در آن زمان، انقلابی محسوب می‌شد زیرا مخالف با نظریه پذیرفته شده آن زمان بود که طبق آن الکترون می‌توانست هر میزانی از انرژی را دارا باشد.

فرانک و هرتز در مقالهٔ دومشان که چند ماه بعد منتشر شد، به نشر نور توسط اتم‌های جیوه‌ای که در اثر برخورد با الکترون‌ها، انرژی‌شان افزایش یافته بود، اشاره کردند. آن‌ها نشان دادند که طول موج این نور فرابنفش، معادل ۴.۹ الکترون ولت و برابر با میزان انرژی‌ای است که الکترون عبوری از دست داده است. رابطه بین طول موج و انرژی، پیشتر توسط بور پیش‌بینی شده بود.

در نهایت، در سال ۱۹۲۶، فرانک و هرتز جایزه نوبل فیزیک را برای کشف قوانین حاکم بر برخورد الکترون با اتم دریافت کردند.

فهرست مطالب:

هدف آزمایش

وسایل آزمایش

ملاحظات نظری

اتلاف انرژی معین پله ای مربوط به الکترونهای در بخار جیوه در ناحیه ماوراء بنفش

روش آزمایش

سیمهای رابط سوکت لامپ فرانک – هرتز

اندازه گیری

ولتاژ شبکه G2

شدت جریان میکرو آمپر

تغییرات IA بر حسب U2

نکات احتیاطی

و…