【弗兰克赫兹实验】一、实验概述
弗兰克-赫兹实验是20世纪初由德国物理学家詹姆斯·弗兰克（James Franck）和古斯塔夫·赫兹（Gustav Hertz）共同完成的一项重要实验。该实验通过研究电子与原子之间的碰撞过程，验证了原子能级的量子化特性，为量子力学的发展提供了关键的实验证据。
实验中，他们使用了充有低压气体（如汞蒸气）的真空管，并通过测量电子在不同电压下的电流变化，观察到电子与原子碰撞时能量的不连续性。这一发现直接支持了尼尔斯·玻尔提出的原子模型，即原子的能量状态是量子化的。
二、实验原理
弗兰克-赫兹实验的核心在于利用电子与原子之间的非弹性碰撞来探测原子内部的能级结构。当电子从阴极出发，在电场作用下加速后，与原子发生碰撞。如果电子的能量足够大，能够激发原子中的电子跃迁到更高的能级，则电子会损失部分动能，导致电流下降。
实验中，随着加速电压的增加，电流会出现周期性波动，这反映了原子能级之间的能量差。这些波动的间隔对应于原子的第一激发态能量。
三、实验装置与步骤
| 项目 | 内容 |
| 实验设备 | 真空管、电源、电压调节器、电流表 |
| 气体类型 | 通常为汞蒸气或氩气等惰性气体 |
| 实验步骤 | 1. 加热灯丝使电子发射 2. 通过调节电压控制电子能量 3. 测量不同电压下的电流值 4. 记录电流随电压变化的曲线 |
四、实验结果与分析
| 参数 | 数值/现象 |
| 最小电压 | 4.9 V（以汞为例） |
| 电流变化 | 呈现周期性波动，每增加约4.9 V，电流下降一次 |
| 能量差异 | 对应于汞原子第一激发态的能量差 |
| 物理意义 | 验证了原子能级的量子化特性 |
五、实验意义与影响
弗兰克-赫兹实验首次通过实验手段证明了原子能级的存在，为量子理论提供了坚实的实验基础。该实验不仅验证了玻尔的原子模型，还推动了现代原子物理学的发展。此外，它也为后来的激光技术、光谱分析等领域奠定了理论基础。
六、总结
弗兰克-赫兹实验是一项具有里程碑意义的物理实验，其通过观察电子与原子碰撞时的电流变化，揭示了原子内部能级的量子化特性。该实验不仅验证了量子理论的基本假设，也促进了现代物理学的进一步发展。其简单而直观的实验设计，至今仍被广泛用于教学和科研中。