查看“︁法蘭克-赫茲實驗”︁的源代码

{{NoteTA
|G1=物理學
}}
[[File:FranckHertzHgTube.jpg|thumb|right|225px|教学实验室中用于法兰克-赫兹实验的真空管的照片。C为阴极，阴极本身很热，呈现出橙色。它发射通过电子通过G，并被阳极（A）吸收，成为电流。]]
{{量子力学}}
'''法蘭克-赫茲實驗'''是一個由德國物理學家[[詹姆斯·法蘭克]]和[[古斯塔夫·赫茲]]完成的著名物理實驗。這實驗首先直接地證實了[[波耳模型]][[離散量|離散]][[能級]]概念的正確性。1914年，他們發表了這令人信服的實驗結果，對於現代量子力學被科学界接受做出重大的貢獻。由于他们「發現那些支配原子和電子碰撞的定律」，法蘭克和赫茲共同得到1925年[[諾貝爾物理學獎]]。

在[[尼爾斯·波耳]]創建的波耳模型裏，[[電子]]是繞著[[原子核]]運行於離散能級的軌道。法蘭克-赫茲實驗顯示出，原子的确只能夠吸收（受激）特定數量的能量（量子），因此证实了[[波耳原子]]的能級是離散的。

== 實驗設置與結果 ==
[[File:Franck Hertz experiment.png|thumb|right|250px|法蘭克-赫茲實驗簡圖。]]

這個經典實驗的主要實驗器具是一個類似[[真空管]]的管狀容器，稱為'''水銀管'''，內部充滿溫度在 <math>140^{\circ}C\,\!</math> 與 <math>200^{\circ}C\,\!</math> 之間，低氣壓的[[水銀]]氣體。水銀管內，裝了三個[[電極]]：[[陰極]]、網狀'''控制柵極'''、[[陽極]]。陰極的[[電勢]]低於柵極跟陽極的電勢，而陽極的電勢又稍微低於柵極的電勢。陰極與柵極之間的加速[[電壓]]是可以調整的。通過電流將鎢絲加熱，鎢絲會發射電子。由於陰極的電勢高於鎢絲的電勢，陰極會將鎢絲發射的電子往柵極方向送去。因為加速電壓作用，往柵極移動的速度和動能會增加。到了柵極，有些電子會被吸收；有些則會繼續往陽極移動。通過柵極的電子，必須擁有足夠的[[動能]]，才能夠抵達陽極；否則，會被柵極吸收回去。裝置於陽極支線的[[安培計]]可以測量抵達陽極的電流。

[[File:Franck-Hertz en.svg|thumb|250px|right|抵達陽極的[[電流]]與加速[[電壓]]的關係線形圖。]]
[[File:ItDozent Franck-Hertz-Versuch 2x leuchten 10V.jpg|thumb|250px|right|在這個加速電壓為10V的法蘭克-赫茲實驗裏，可以隱約看到兩層圓柱對稱的青藍色扁碟形光。]]
[[File:ItDozent Franck-Hertz-Versuch 5x leuchten 24V.jpg|thumb|250px|right|在這個加速電壓為24V的法蘭克-赫茲實驗裏，可以隱約看到五層圓柱對稱的青藍色扁碟形光。]]
*當加速電壓很低，小於 4.9 [[伏特]] (<math>V\,\!</math>) 時，隨著電壓的增加，抵達陽極的電流也平穩地單調遞增。
*當電壓在 4.9 伏特時，電流猛烈地降低，幾乎降至 0 安培。
*繼續增加電壓。再一次，同樣地，電流也跟隨著平穩地增加，直到電壓達到 9.80伏特。
*當電壓在 9.8 伏特時，又觀察到類似的電流猛烈降低。
*電壓每增加 4.9 伏特，電流就會猛烈降低。這樣系列的行為最少繼續維持至 100 伏特電壓。

== 實驗結果詮釋 ==
使用[[彈性碰撞]]和[[非彈性碰撞]]的理論，法蘭克和赫茲給予了這實驗合理的解釋。當電壓很低時，被加速的電子只能獲得一點點能量。他們只能與水銀原子進行純彈性碰撞。這是因為量子力學不允許一個原子吸收任何能量，除非碰撞能量大於將電子躍遷至較高的能量量子態所需的能量。

由於是純彈性碰撞，系統內的總動能大約不變。又因為電子的質量超小於水銀原子的質量，電子能夠緊緊地獲取大部分的動能。增加電壓會使[[電場]]增加，剛從陰極發射出來的電子，感受到的靜電力也會加大。電子的速度會加快，更有能量地衝向柵極。所以，更多的電子會衝過柵極，抵達陽極。因此安培計讀到的電流也會單調遞增。

水銀原子的電子的最低激發能量是 4.9 <math>eV\,\!</math> 。當加速電壓升到 4.9 伏特時，每一個移動至柵極的自由電子擁有至少 4.9 <math>eV\,\!</math> 動能（外加電子在那溫度的靜能）。自由電子與水銀原子可能會發生非彈性碰撞。自由電子的動能可能被用來使水銀原子的束縛電子從一個能量[[量子態]]躍遷至另一個能量量子態，從而增加了束縛電子的能極，稱這過程為水銀原子被激發。但是，經過這非彈性碰撞，自由電子失去了 4.9 <math>eV\,\!</math> 動能，它不再能克服柵極與陽極之間負值的電壓。大多數的自由電子會被柵極吸收。因此，抵達陽極的電流會猛烈地降低。

假設加速電壓超過 4.9 伏特，自由電子會在從陰極移動至柵極的路途中，遇到一個非彈性碰撞，失去 4.9 <math>eV\,\!</math> ，然後繼續被加速。照着這方式，在電壓超過 4.9 <math>eV\,\!</math> 之後，電流重新單調遞增。當電壓在 9.8 伏特時，情況又有改變。每一個自由電子有足夠的能量造成兩次非彈性碰撞，失去 9.8 <math>eV\,\!</math> 。自由電子又無法抵達陽極。安培計讀到的電流再度會猛烈地降低。電壓每增加 4.9 伏特，就會發生一次這種狀況，電子累積足夠能量(4.9 <math>eV\,\!</math>的整數倍)後，造成更多次的[[非彈性碰撞]]。

== 發生在其它氣體的效應 ==
[[氖]]氣體也會發生類似的行為模式，可是電壓間隔大約是 19 伏特。程序是相同的，只有閾值不同。當電壓在 19 伏特時，在柵極附近，氖氣體會發光。激發的氖原子會發射橘紅色光線。越增加電壓，自由電子越早累積到足夠的動能 19 <math>eV\,\!</math> ，發光處會離陰極越近。當電壓在 38 伏特時，在氖氣體管裏會有兩個發光處。一處在陰極與柵極中間，一處在柵極附近。電壓加高，每增加 19 伏特，就會多形成一個發光處。

== 參閱 ==
*[[拉塞福散射]]

{{Quantum mechanics topics}}

[[Category:物理學實驗|F]]
[[Category:量子力學|F]]