夫兰克-赫兹实验的原理

原子能级结构的存在，除了可由光谱实验验证之外，还可以利用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法使原子从低能级激发到高能级，通过测量电子和原子碰撞时交换的能量是否是某些特定的值来证明原子能级结构的存在。1914年夫兰克和赫兹就利用慢电子轰击汞原子，发现原子吸收能量是不连续的，从而直接证明了原子能级的存在。

下图是本次实验使用的电路连接，利用它可测量气体原子的第一激发电位U1。

阴极在灯丝加热下发射的大量热电子（慢速电子）经电场UG1K、UG2K加速，UG2P减速后达到极板P形成电子流IP。电子在G1→G2的途中可能与管中充有的稀薄气体原子发生碰撞，只有能到达栅极G2并且能量不低于eUG2P的电子才能最终到达极板P形成电子流。

电子的能量小于第一激发能eU1时，电子与原子间发生弹性碰撞，能量损失很小；电子的能量等于或超过eU1时，电子与原子间的碰撞将使原子从低能级跃迁到高能级，电子损失能量eU1，碰撞后电子将因剩余能量低于eUG2P而不能到达P板。发生后一情形的电子很多时，极板电流将显著减小。

随着UG2K的增加，碰撞损失能量的电子在到达G2的剩余路程中加速使自身能量超过eUG2P的电子增多，IP随之逐渐上升；UG2K的继续增加将使电子在前进途中与气体原子发生第二、第三次……非弹性碰撞，IP将出现多次下降和上升。