ㆍ 전자는 네온 증기로 가득 차있는 튜브 안에서 가속된다.

ㆍ 전자를 가속하여 전자 빔을 만들고 이를 저압 기체 속으로 지나가게 하여 기체를 이루는 원자와 충돌하게 한다.

ㆍ 전압이 어떤 한계치에 다다르게되면 전류가 급격히 감소한다.

프랑크-헤르츠 실험(Franck–Hertz experiment)

1914년 프랑크와 헤르츠는 수은 기체와 전자를 충돌시켜 수은의 에너지 상태가 양자화되어 있다는 것을 확인하였다. 이 실험을 통하여 에너지 준위와 여기에너지, 탄성충돌 등의 개념을 익히고 원자가 양자화 되어 있는 모습을 거의 직접적으로 관찰할 수 있다.

프랑크-헤르츠 실험에서는 원자가 전자와 충돌할 때 특정한 양의 에너지만 주고받는 다는 사실이 발견되었다. 이 특정한 에너지는 바로 그 원자가 가지고 있는 에너지 준위의 차이에 해당한다.

 위 회로도는 프랑크-헤르츠 실험에 사용되는 튜브와 회로의 구성이 나타난다. 상단에 보이는 관 안에는 실험에 사용되는 증기(수은, 네온)가 희박하게 들어있다. 또한 튜브의 내부에는 진공관처럼 필라멘트, 음극(K), 그리드(G, A), 양극(E) 등을 배치해 두고 전압을 걸어 둔 상태이다.

필라멘트를 가열하면 음극(K)에서 방출된 열전자는 제2 그리드(A)에 의해 가속되어 운동에너지가 증가하게 된다.

1. 제2그리드(A)를 통과한 후 양극(E)와의 역전압 V_0에 의해 약간 감속되어 양극(E)에 흡수되며 전류가 발생하다. 또한 필라멘트에 가하는 가속 전압을 높여주면 양극(E)에 도달하는 전자의 양이 증가하고 더 많은 전류가 흐르게 된다.   관속에 들어있는 기체 원자는 충돌한 전자에게서 원자의 에너지 준위의 차이만큼의 에너지를 흡수한다. 이런 조건이 만족될 때 전자와 완전비탄성충돌을 하게 되어 전자의 모든 운동에너지를 빼앗게 된다. 제2그리드(A)의 전압을 서서히 올려주면 제2그리드(A) 주위에서의 전자의 운동에너지가 마침내 원자의 첫번째 여기에너지로 되었을 때 그 지점에서 전자는 원자와 완전비탄성충돌하여 운동에너지를 모두 잃게 된다. 이때 전류의 세기가 급격히 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

2. (1)에서 제2그리드(A)에 걸어준 전압보다 큰 전압을 걸어주면 충돌이 일어난 지점은 제2그리드(A)보다 앞쪽으로 당겨진 곳이 되며 그곳에서 부터 전자는 제2그리드(A)에 도달하기 전까지 다시 가속된다.

3. 제2그리드(A)의 전압이 여기에너지의 두배가 될 때까지 또 다시 전류는 증가하지만 두배가 되면 다시 전류가 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

4. 위의 과정을 반복적으로 진행하여 기체 원자의 여기에너지를 구할 수 있다.

프랑크 헤르츠 실험에서는 가속전압을 통해 전자빔을 만들고 이를 기체가 들어있는 관 속으로 지나게 하여 전자와 기체 원자를 충돌시킨다. 이 과정을 통해 기체 원자의 여기에너지를 측정할 수 있다.