Экспериментальная часть. Принципиальная схема установки, используемой для выполнения опыта Франка и Герца, приведена на рис.1

Принципиальная схема установки, используемой для выполнения опыта Франка и Герца, приведена на рис.1. Трехэлектродная лампа заполнена газом (в данном случае - гелием или неоном) при давлении в несколько миллиметров ртутного столба. Нить катода разогревается током I _н, величина которого определяется напряжением U _н. Напряжение U _уск, которое ускоряет электроны при их движении от катода к сетке лампы, изменяется потенциометром и измеряется вольтметром. К аноду прикладывается небольшое относительно сетки задерживающее напряжение U _зад, вследствие чего создается слабое электрическое поле, тормозящее движение электронов. Напряжение U _зад изменяется потенциометром, а его величина контролируется вольтметром. Для измерения анодного тока I _а в цепь включен микроамперметр. На основе измеренных I _а и U _уск строится вольт-амперная характеристика, представляющая собой зависимость анодного тока I _а от ускоряющего напряжения U _уск.

В опытах, выполненных Франком и Герцем, для заполнения трехэлектродной лампы использовались пары ртути, и вольт-амперная характеристика имела вид, показанный на рис.2.

Электроны, испускаемые раскаленной нитью катода вследствие термоэлектронной эмиссии, разгоняются ускоряющим напряжением и, если их энергии достаточно
для преодоления задерживающего электрического поля между сеткой и анодом, попадают на анод. По мере возрастания напряжения U _уск все большее количество электронов, испытывающих лишь упругие столкновения с атомами, попадают на анод, и ток I _а увеличивается. При напряжении U _уск = столкновения электронов с атомами становятся неупругими, поскольку их энергии достаточно для перехода атома в первое возбужденное состояние. Потеряв энергию, электроны уже не могут преодолеть задерживающее электрическое поле между сеткой и анодом, и величина анодного тока уменьшается.

При дальнейшем увеличении ускоряющего напряжения остаточная энергия электронов, испытавших неупругие столкновения с атомами, становится достаточной для преодоления тормозящего поля, и величина анодного тока снова начинает возрастать. Если энергия электронов после первого неупругого соударения и последующего ускорения снова окажется равной еU ₁, то они смогут испытать еще одно неупругое столкновение с атомами, и на вольт-амперной характеристике появится второе уменьшение анодного тока. Таким образом, при значениях ускоряющего напряжения на вольт-амперной характеристике будут наблюдаться n максимумов, расположенных друг от друга на расстоянии, равном первому потенциалу возбуждения атома.

При проведении опыта Франка и Герца ряд причин приводят к уменьшению глубины минимумов и резкости максимумов на кривой зависимости анодного тока от напряжения. Одна из причин связана с тем, что из-за теплового разброса скоростей электронов, эмитируемых катодом, их энергия после прохождения разности потенциалов U _ускоказывается различной. Другая причина состоит в том, что для преодоления задерживающего поля между сеткой и анодом имеет значение только составляющая скорости электрона, направленная вдоль поля. Эта составляющая может меняться при упругих столкновениях, поскольку в них сохраняется лишь полная скорость электрона. Кроме того, не все обладающие необходимой энергией электроны возбуждают атомы при столкновениях. На вид вольт-амперной характеристики оказывают также влияние наличие объемных зарядов и возможное загрязнение лампы парами других элементов с иными потенциалами возбуждения. Вследствие контактной разности потенциалов между катодом и сеткой кривая зависимости тока от напряжения может смещаться вправо и влево.