【弗兰克赫兹实验原理】弗兰克-赫兹实验是验证原子能级存在的重要实验之一，由德国物理学家詹姆斯·弗兰克（James Franck）和古斯塔夫·赫兹（Gustav Hertz）于1914年共同完成。该实验通过观察电子与气体原子碰撞时的能量变化，证明了原子具有离散的能级结构，从而为量子理论的发展提供了实验依据。
一、实验原理概述
在弗兰克-赫兹实验中，电子被加速后与气体原子发生碰撞。当电子的能量恰好等于原子的激发能时，电子会将能量传递给原子，使其跃迁到较高的能级。此时，电子的能量减少，导致电流出现下降。通过测量不同加速电压下的电流变化，可以确定原子的激发能。
实验的关键在于：电子的动能必须等于原子的激发能，才能发生有效碰撞。这一现象直接支持了玻尔的原子模型，即原子的能量是量子化的。
二、实验装置与过程
| 部件 | 功能 |
| 真空管 | 容纳气体原子和电子运动 |
| 加速电极 | 提供电子加速电压 |
| 网格电极 | 控制电子流方向和速度 |
| 收集电极 | 检测通过的电子数量，反映电流变化 |
| 气体原子（如汞蒸气） | 作为碰撞对象 |
实验步骤如下：
1. 将一定压力的气体（如汞蒸气）注入真空管中；
2. 电子从阴极发射，经过加速电极获得动能；
3. 电子穿过网格电极，与气体原子发生碰撞；
4. 若电子能量足够，可使原子跃迁至激发态；
5. 收集电极检测电流变化，记录不同电压下的电流值。
三、实验结果与分析
| 加速电压（V） | 电流（mA） | 实验现象 |
| 0 - 4.9 | 上升 | 电子未达到激发能 |
| 4.9 | 下降 | 电子与原子发生弹性碰撞 |
| 9.8 | 再次上升 | 电子再次获得能量 |
| 14.7 | 再次下降 | 原子第二次激发 |
从表格可以看出，电流随着电压的增加而呈现周期性波动。每次电流下降对应着原子的一次激发，表明原子的能量是量子化的。
四、实验意义与影响
弗兰克-赫兹实验是第一个直接验证原子能级存在的实验，为后来的量子力学奠定了基础。它不仅证实了玻尔模型的正确性，也为现代原子物理和光谱学研究提供了重要的实验方法。
此外，该实验也揭示了电子与原子之间相互作用的本质，推动了对微观粒子行为的理解。
五、总结
弗兰克-赫兹实验通过观察电子与气体原子的碰撞过程，验证了原子能级的存在。其核心原理是：电子在特定电压下与原子发生非弹性碰撞，导致电流下降。该实验不仅具有重要的历史意义，至今仍在教学和科研中广泛应用。
