1. 개요
1914년 독일의 물리학자 프랑크와 헤르츠가 한 실험이다. 수은 기체에 진공관에 의해 가열된 전자를 통과시켜 수은 증기의 에너지 준위에 대해 알아본다. 가변 저항을 연결한 회로에서 전압의 크기에 따라 에너지와 전류가 어떻게 변하는지에 대한 그래프를 그렸다.2. 회로와 실험 장치
1. 회로그림에서 네모로 표시된 관속은 수은증기를 희박하게 넣어 봉인한 것이다. 그 내부에는 진공관처럼 필라멘트, 음극(cathode : K로 표기), 그리드(grid : G로 표기), 양극(plate : P로 표기)등을 배치해 두고 전압을 걸어 둔 상태이다.
필라멘트를 가열하면 K(음극)에서 방출된 열전자는 G2(제 2 그리드)에 의해 가속되어 그 운동에너지가 증가하게 된다. 이 전자가 G2를 통과한후 P(양극)와의 역전압 V0에 의해 약간 감속되어 P에 흡수되는데 그 정도는 전류계의 전류를 측정하므로써 알 수 있다. G2에 걸리는 가속전압을 증가 시키면 더 많은 전자가 P에 도달하여 플레이트 전류는 증가한다. 만일 전자가 관속에 들어 있는 기체 원자와의 충돌에서 그 운동에너지가 원자의 내부에너지로 흡수되지 않는다면 전자의 질량이 원자의 질량에 비해서 월등히 작은 관계로 전자의 운동에너지는 거의 변화가 없을 것이다. 운동에너지를 거의 잃지 않기 때문에 전자의 운동방향이 바뀔 뿐으로 전류의 양에는 크게 변화가 없을 것이다. 그러나 그 충돌에서 에너지를 잃어버린다면 (전자의 운동에너지를 잃어버리는 경우 그 잃어버린 에너지는 당연히 원자에 흡수되고 이러한 충돌을 비탄성충돌이라 한다) 전류는 줄어들 것이다.
2. 실험 장치
오실로스코프, X-Y 기록계등 : 이 둘은 없어도 무방하다. 오실로스코프의 경우 X-Y 모드로 놓고 X축을 그리드의 전압, Y축을 P로 흐르는 전류(전압으로 변환된)를 걸어주고 전압을 0V 부터 연속적으로 톱니파 모양으로 올려주면 그림 3 과 같은 모양의 그래프를 오실로스코프의 화면에서 바로 볼 수 있다. 또한 X-Y 기록계가 있으면 마찬가지 방식으로 입력하여 그래프를 종이 위에 그릴 수 있다.
3. 실험 결과
전자가 수은을 들뜬상태로 만들어 그다음 전자가 지나갈 때는 전류가 작아진다(5 eV의 차이). 따라서 수은 원자의 에너지 준위는 불연속적이다.