验证原子能级量子化的里程碑：弗兰克—赫兹实验

验证原子能级量子化的里程碑：弗兰克—赫兹实验

弗兰克—赫兹实验是量子力学发展史上的重要里程碑，它首次实验证实了原子能级的量子化特性，为玻尔原子模型提供了关键支持。

1914年，詹姆斯·弗兰克（James Franck）和古斯塔夫·赫兹（Gustav Hertz）设计并完成了这一开创性实验。实验的主要目的是验证原子能级是否真的像尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）在1913年提出的原子模型中所预测的那样，是量子化的。

实验装置相对简单，主要由一个充有低压汞蒸气的玻璃管和两个电极组成。当电子从阴极发射并加速向阳极运动时，它们会与汞原子发生碰撞。根据玻尔模型的预测，如果电子的能量恰好等于汞原子能级之间的能量差，电子就会被汞原子吸收，导致电流出现周期性的下降。

实验结果令人振奋：弗兰克和赫兹观察到，当电压增加到4.9伏特时，电流会突然下降，随后在电压继续增加时逐渐恢复。这个周期性的现象与汞原子第一激发态和基态之间的能量差完全吻合，证实了原子能级确实是量子化的。

更令人信服的是，实验还检测到了与能级跃迁相关的紫外光谱线，进一步证实了量子化的存在。这一发现不仅为玻尔模型提供了强有力的实验证据，也为量子力学的发展奠定了重要基础。

由于这一开创性的工作，弗兰克和赫兹于1925年共同获得了诺贝尔物理学奖。他们的实验不仅确立了量子力学的基础，也为后来的原子物理和量子理论发展提供了关键的实验支持。