SCIENCE 3D | 프랑크–헤르츠 실험 (원자의 에너지 계단)

무슨 일이 일어났나

프랑크와 헤르츠는 수은 증기가 든 유리관에서 전자를 전압으로 가속하고, 끝에 작은 되미는 전압을 건 집전판으로 흘러드는 전류를 재었습니다.

Lindau 노벨 수상자 소개에 따르면 전류는 4.9 V 까지 늘다가 꺾였고, 이로써 수은 원자가 4.9 eV 덩어리로만 에너지를 받는다는 것이 드러났습니다.

들뜬 수은 원자는 그 에너지를 2536 Å 빛으로 내놓을 것으로 보았는데(Lindau), NIST 가 잰 수은의 센 자외선 줄도 2536.517 Å(공기 속)입니다.

시뮬레이터는 NIST 수은 준위(39 412.300 cm⁻¹ = 4.89 eV)로 셈해 4.2 V · 9.0 V · 13.9 V … 에 전류 봉우리를 그리고, 봉우리 사이는 4.87 V 입니다.

Deutsche Biographie 에 따르면 두 사람은 처음에 이 결과를 이온화로 풀이했지만, 이 실험은 에너지 주고받기가 양자화되어 있다는 증거가 되었고 둘은 1925 년 노벨 물리학상을 받았습니다.

💡 생활 속 예시

형광등 속에서도 달리는 전자가 수은 원자에 부딪혀 원자를 들뜨게 하는데, 프랑크–헤르츠 관은 바로 그 부딪힘을 전류로 잰 장치입니다.
계단을 오르는 사람이 한 칸 높이만큼 다리를 올려야 다음 칸에 서듯, 수은 원자도 4.9 eV 라는 «한 칸» 만큼만 에너지를 받아들입니다(비유).

누가 왜 찾았나

Lindau 소개에 따르면 이 실험은 1913 년 보어가 내놓은 양자 원자를 받쳐 준 실험 증거가 되었지만, Deutsche Biographie 는 프랑크와 헤르츠가 처음에는 결과를 이온화로 풀이했다고 적습니다. 스스로는 다르게 읽었던 측정이 결국 원자의 에너지 계단을 보여 준 셈이고, 두 사람은 1925 년 노벨 물리학상을 받았습니다.

확인된 값

수은 증기를 써서 한 실험: Quecksilberdampf 출처
에너지 주고받기가 양자화되어 있고 방출 스펙트럼의 공명선이 따른다: resonance line 출처
프랑크와 헤르츠는 처음에 이 결과를 이온화로 풀이함: first read as ionisation 출처
프랑크 · 헤르츠 노벨 물리학상: 1925 출처
수은 원자는 4.9 eV 덩어리로만 에너지를 받는다: 4.9 eV 출처
1913 보어 양자 원자를 받쳐 준 실험 증거: supports Bohr 1913 출처
수은의 센 자외선 선 (NIST, 공기 중 2536.517 Å): 2.536517e-7 m 출처
수은 6s6p ³P₁ 준위 (NIST, 39 412.300 cm⁻¹ → 4.8865 eV): 3941230 1/m 출처

교육과정에서는

한국 2022 · 물리학 실험 · 현대 물리 [12물실05-04]
한국 2022 · 물리학 · 빛과 물질 [12물리03-04]
한국 2022 · 과학탐구실험1 · 과학의 본성과 역사 속의 과학 탐구

출처

https://www.deutsche-biographie.de/dbo046290.html(확인 2026-11-12)
https://mediatheque.lindau-nobel.org/laureates/hertz/research-profile(확인 2026-11-12)
https://physics.nist.gov/PhysRefData/Handbook/Tables/mercurytable2.htm(확인 2026-11-12)
https://physics.nist.gov/PhysRefData/Handbook/Tables/mercurytable5.htm(확인 2026-11-12)

이어서 보기

원자의 에너지 계단 (에너지 준위와 선 스펙트럼)