玻尔的氢原子理论圆满地解释了氢原子的光谱规律，提出了能级的概念.在能级理论提出的第二年，即1914 年，弗兰克和赫兹利用实验验证了原子中存在分离的能级，从实验上证明了玻尔理论.实验装置如图14.4 所示，玻璃管B 中充满低压水银蒸气，电子从加热的灯丝F 发射出来，在电压U0 的作用下加速，并向栅极G运动.在栅极G 和板极P 之间有一很小的反向电压Ur，电子穿过G 到达P，于是在电路中观察到板极电流IP，图14.5 给出了板极电流随加速电压变化的结果.可以看出，板极电流随着电压的增加而振荡变化，开始阶段，IP 随着U0 的增加而增加.当IP 达到峰值后，随着U0 的增加IP急剧下降；然后，IP又随着U0 增加而增加，出现第二个峰值.设汞原子的基态能量为E1，第一激发态能量为E2.电子在加速电压作用下获得动能为Ek.当电子和汞原子碰撞时，若电子的动能小于汞原子第一激发态能量E2 与基态能量E1 的差，即Ek＜E2－E1 时，电子不能使原子激发，电子与原子之间发生完全弹性碰撞，能量没有损失，极板电流随着加速电压的增加而增加.当电子的动能Ek≥E2－E1 时，汞原子从基态跃迁到激发态，从电子的能量中吸收E2－E1 的能量；电子的全部或大部分动能转移给了汞原子，故极板电流IP急剧减小，出现了图中的第一个波谷.随着电子能量的增加，可以与两个汞原子连续发生非完全弹性碰撞，使两个汞原子由基态跃迁到激发态，出现第二个波谷.实验发现第一个波峰时对应的加速电压是4.9 V，出现第二个波峰时对应的电压是9.8 V，因此，汞原子的第一激发电势是4.9 V.
图14.4 弗兰克—赫兹实验
图14.5 弗兰克—赫兹实验的板极电流与加速电压的关系
处于激发态的汞原子向基态跃迁时，要放出光子，光子的能量等于第一激发态与基态的能量差，即
实验中，确实观察到一条波长为253 nm 的谱线，实验值与计算值符合得很好.(www.xing528.com)
弗兰克—赫兹实验表明原子能级确实存在，把原子激发到激发态需要一定的能量，这些能量是不连续的、量子化的.
由玻尔的氢原子理论可以看出，两个相邻能级之间的能级差为
当n 的数值较大时，ΔE 的差值减小；当n→∞时，ΔE→0，这时能量的量子化已不明显了，可以认为能量是连续的，即回到经典物理图像.玻尔在提出氢原子理论后指出，任何一个新理论的极限情况，必须与旧理论一致.人们称之为普遍的对应原理.经典物理可以看作量子物理在量子数n→∞时的特殊情况；同样，当物体的运动速率v 远小于光速c 时，爱因斯坦的相对论力学过渡为牛顿经典力学，也是符合对应原理的.任何原子，当它的一个最外层电子被激发到主量子数n 很大
（101 ～102 数量级）的能级，这样的状态称为里德伯态，处于里德伯态的原子称为里德伯原子.里德伯原子处于高激发态，已经观察到n 为650 的里德伯态.由于里德伯原子的n 很大，具有很多独特的性质，不同于基态或低激发态的原子.里德伯原子的这些独特性质包括：原子的直径很大，其价电子距离原子实很远，能级结构类似于氢原子，根据玻尔的氢原子模型，原子的半径正比于n2，因此里德伯原子直径可以达到10－5 m，相当于基态原子直径的105 倍，也被称为巨原子或胖原子；寿命很长，可以达到1 s，为普通原子在较低激发态寿命的108倍；结合能小，n ＝250 时，其结合能只有约10－3 eV，小于室温下热运动平均动能，在102 V／cm 的弱电场下能被电离.因此，里德伯原子很容易受到外加电磁场或其他原子分子的碰撞等影响而改变其性能.
两个里德伯原子相互作用时可以形成里德伯分子.美国俄克拉荷马大学物理学和天文学系的科学家在2009 年发现了巨大的里德伯分子，分子键的大小与红血球相当.
实验室中可以利用激光和同步辐射技术获得里德伯原子，研究其性能.由于里德伯原子奇特的性质，其在探测量子气体、电磁场性质方面具有很高的灵敏度，对原子物理的基础研究和应用开发也具有重要的意义.
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