Od roku 1911 James Franck a Gustav Hertz prováděli řadu pokusů, kterými zkoumali jaké množství energie je potřeba k uvolnění elektronu z atomu. Nejdůležitější jsou pokusy s rtuťovými parami z počátku roku 1914, které přímo demonstrovaly existenci atomové energetické hladiny a její souvislost s čárovými spektry. Tělo aparatury Franck–Hertzova pokusu je tvořeno tetrodou a parami různých prvků.
Uspořádání Franck-Hertzova experimentu.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Žhavená katoda emituje elektrony, které jsou urychlovány elektrickým polem ke kladně nabité mřížce. Elektrony narážejí na atomy plynu, jejichž hmotnost je mnohonásobně větší, a proto pružnou srážkou neztratí prakticky žádnou energii. Až do doby, kdy kinetická energie elektronů, ovlivněná rozdílem potenciálů elektrického pole mezi elektrodami, nedosáhne mezní hodnoty. Od tohoto okamžiku nastanou srážky nepružné, to znamená, že elektron ztratí svou energii a předá ji atomu, který tak přejde do stavu s vyšší energetickou hladinou. Takto zpomalený elektron nemá již dostatek energie, aby překonal brzdný potenciál a dostal se až k anodě, což se projeví poklesem proudu.
Fotografie Franck-Hertzova pokusu.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Hodnota energie potřebná k excitaci atomu do prvního excitovaného stavu se pro různé prvky liší. Pro neon přibližně 18,5 eV, pro rtuť 4,9 eV. Původní experimenty byly provedeny s parami rtuti. Její použití má však několik nevýhod. Elektrodu je nutné zahřát na teplotu přibližně 200 °C pro vytvoření dostatečné koncentrace jejich par v elektronce. Dalším negativem je, že emise fotonů není pozorovatelná ve viditelné části spektra. Pokud jsou elektrony urychleny dostatečným napětím, může během jejich letu dojít i k několika srážkám. Počet srážek v závislosti na napětí je patrný na periodické křivce voltampérové charakteristiky.
Voltampérová charakteristika se třemi srážkami.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Klasická fyzika by v rozporu s výsledky experimentu očekávala lineární průběh křivky. Bohrova předpověď s naměřenými daty plně koresponduje. Potvrdila se tím její správnost. Franckovi a Hertzovi byla v roce 1925 udělena Nobelova cena za fyziku.
