Percobaan Franck-Hertz

Tampilan skema dari tabung vakum yang digunakan untuk melakukan percobaan Franck-Hertz dalam laboratorium instruksional. Sebenarnya, terdapat droplet/percikan dalam tabung, akan tetapi tidak tampak pada foto di atas.
Percobaan Franck-Hertz adalah percobaan yang dilakukan oleh Jamez Franck dan Gustav Hertz. Percobaan ini merupakan pengukuran elektrik pertama untuk memperlihatkan secara jelas sifat kuantum dari atom, dan karenanya "mengubah pemahaman kita mengenai dunia". Percobaan ini dipresentasikan pada 24 April 1914 kepada German Physical Society dalam sebuah makalah oleh James Franck dan Gustav Hertz. Keduanya membuat sebuah tabung vakum guna mempelajari elektron berenergi yang mengalir melalui uap tipis dari atom merkuri.
Mereka menemukan bahwa ketika sebuah elektron bertumbukan dengan sebuah atom merkuri, elektron tersebut dapat kehilangan energi kinetik hanya sebesar 4.9 elektronvolt (eV) sebelum menjauh. Hilangnya energi ini berkaitan dengan penurunan kecepatan elektron dari sekitar 1,3 juta m/s menjadi 0 m/s. Elektron yang lebih cepat tidak akan melambat sepenuhnya pasca tumbukan, akan tetapi kehilangan energi kinetik dengan jumlah yang sama persis. Elektron yang lebih lambat hanya akan terpental dari atom merkuri tanpa adanya kecepatan ataupun energi kinetik yang hilang secara signifikan.
Hasil dari percobaan tersebut terbukti sesuai dengan model atom Bohr yang telah diajukan oleh Niels Bohr pada tahun sebelumnya. Model atom Bohr merupakan pendahulu dari mekanika kuantum dan model kulit elektron atom. Hal terpenting dari model atom Bohr adalah bahwa elektron dalam sebuah atom menempati salah satu tingkat energi kuantum dalam atom. Sebelum tumbukan, sebuah atom dalam atom merkuri menempati tingkat energi kuantum terendah yang tersedia. Setelah tumbukan, elektron tersebut akan berpindah satu tingkat lebih tinggi dengan energi sebesar 4,8 elektron volt (eV) atau lebih. Artinya, elektron tersebut menjadi kurang terikat dengan atom merkuri. Tidak ada tingkat atau kemungkinan menengah dalam model kuantum Bohr. Sifat ini revolusioner karena ia tidaklah sesuai dengan perkiraan yang mengatakan bahwa elektron dapat terikat pada suatu nukleus atom oleh sembarang jumlah energi.
Dalam makalah kedua yang dipresentasikan pada Mei 1914, Franck dan Hertz melaporkan tentang pancaran cahaya oleh atom merkuri yang menyerap energi dari tumbukan. Mereka berdua menunjukkan bahwa panjang gelombang dari sinar ultraviolet yang dihasilkan tepat sesuai dengan energi sebesar 4,9 eV yang hilang dari elektron yang datang. Hubungan antara energi dan panjang gelombang juga telah diprediksi oleh Bohr karena Bohr telah mengikuti struktur yang dipresentasikan oleh Hendrik Lorentz pada Konferensi Solvay tahun 1911.
Foto para ilmuwan pada Konferensi Solvay ke-5 tahun 1927.
Di Solvay, setelah pembicaraan Einstein tentang struktur kuantum, Hendrik Lorentz berpendapat bahwa energi dari sebuah rotator dapat dibuat bernilai sama dengan nhv (Persamaan kuantum Planck di mana E = nhv, v = frekuensi). Oleh karena itu, Bohr telah mengikuti informasi-informasi yang didapat pada tahun 1911 dan menyalin rumus yang diusulkan oleh Lorentz dan yang lainnya ke dalam model atom miliknya pada tahun 1913. Pendapat Lorentz dipandang benar.
Kuantisasi terhadap atom sesuai dengan rumusnya yang dimasukkan ke dalam model Bohr. Beberapa tahun setelah presentasi mengenai hasil-hasil ini, Albert Einstein kabarnya mengatakan, "Hal ini sangat indah sehingga dapat membuat Anda menangis." Pada tanggal 10 Desember 1926, Franck dan Hertz dihadiahi Penghargaan Nobel di bidang fisika "atas penemuan mereka tentang hukum-hukum yang mengatur dampak dari suatu elektron terhadap atom".