Опыт Франка — Герца — первые электрические измерения, явно показавшие квантовую природу атомов[1][2]. Опыт был проведён в 1914 году немецкими физиками Джеймсом Франком и Густавом Людвигом Герцем, которые наглядно продемонстрировали, что атомы поглощают энергию только определёнными дискретными порциями, то есть квантами. Это наблюдение нашло объяснение в рамках старой квантовой теории на основе модели атома Бора, которая предполагала, что электроны в атоме могут занимать только определённые энергетические уровни. Оба учёных были удостоены Нобелевской премии по физике 1925 года за эти исследования.
В опыте измерялось количество энергии оставшейся у ускоренных электрическим полем электронов после того, как они пересекали наполненную атомами ртути вакуумную лампу. Измерения показали, что после приложения ускоряющего напряжения менее 4,9 В электроны сталкиваются с атомами только упруго и практически не теряют энергии. При превышении этого порога они передают 4,9 эВ атому при столкновении. В последующих измерениях Дж. Франк и Г. Герц доказали, что атомы ртути, поглотившие эту энергию, излучают свет, энергия фотонов которого также равна 4,9 эВ, что подтвердило второй постулат Бора. Опыты показали, что в атомах поглощение и выделение энергии квантуются.
Опыт Франка — Герца является одним из самых известных доказательств квантовой теории и в то же время относительно прост по своей реализации, поэтому его используют в физическом образовании.
Дж. Франк и Г. Герц сконструировали вакуумную трубку для изучения ускоренных электронов, пролетающих через пар низкого давления, состоящий из атомов ртути. Они обнаружили, что электрон при столкновении с атомом ртути может потерять только определённое количество (4,9 эВ) своей кинетической энергии[3]. Эта потеря энергии соответствует замедлению электрона со скорости около 1,3·106 м/с до нуля. Более быстрый электрон после столкновения не тормозится полностью, но теряет точно такое же количество кинетической энергии. Более медленные электроны упруго отскакивают от атомов ртути, практически не теряя скорости или кинетической энергии[4][3].