玻尔在三个物理学基础上，提出了有关原子理论的两个基本假设：

1.原子只能较长久地停留在一些稳定状态，简称“定态”，原子在这些状态时不发射也不吸收能量，各定态的能量是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能使原子从一个定态跃迁到另一个定态。

2. 原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射能量时，辐射的频率是一定的。如果用E_m和E_n代表有关二定态的能量，辐射的频率υ决定于如下关系：

式中h为普朗克常量。

原子状态的改变，通常发生于原子本身吸收或发射电磁辐射，以及原子与其他粒子发生碰撞而交换能量这两种情况。本实验中采用电子轰击原子的方法改变原子状态。

左侧为弗兰克—赫兹管(以下简称F-H管)，F-H管中包括热阴极K、栅极G和板极A；右侧是为F-H管各电极提供电压的电路。F-H管中充以要测量的气体（氩气），热阴极K发出电子，在K与栅极G之间加电场使电子加速，加速电压为V_GK，在栅极G和接收电子的板极A之间加有反向拒斥电压 V_AG。当电子通过KG空间，进入GA空间时，如果仍有较大能量，就能冲过反向拒斥电场而到达板极A，成为通过电流计的电流I_A ，进而被检测出来．如果电子在KG空间与原子碰撞，把自己一部分能量给了原子，使后者被激发，电子本身所剩下的能量就可能很小，以致通过栅极后不足以克服拒斥电场，那就达不到板极A，因而不通过电流计．如果这样的电子很多，电流计中的电流就要显著地降低。

实验时，把KG间的电压逐渐增加，观察电流计的电流．这样就得到板极电流I_A 随KG之间加速电压的变化曲线。

对上述的实验现象可以作如下解释：

图中的小圆点代表电子，大圆点代表氩原子；电子的颜色由红变黑表示电子能量损失，氩原子的颜色由黑变红表示氩原子得到能量发生跃迁。

逐渐增加KG间电压V_GK，电子在KG空间被加速而取得越来越多的能量。当V_GK<V_g(V_g为第一激发电位---使原子从基态被激发到第一激发态所需要的加速电压)时，电子取得的能量较低，与原子碰撞为弹性碰撞，不发生能量交换即不影响原子能量状态，板极电流I_A将随V_GK的增加而增加．当V_GK=V_g时，电子在栅极附近与原子发生非弹性碰撞，将自己的能量传递给原子，使原子从基态被激发到第一激发态，而电子失去几乎全部动能，这些电子将不能克服拒斥电场而到达板极A，板极电流I_A开始下降．当V_GK>V_g后，电子即使在KG空间与原子相碰撞损失大部分能量，仍留有足够能量可以克服拒斥电场而达到板极A，因而板极电流I_A又开始回升．当KG间电压是二倍的原子激发电位V_g时，电子在KG空间有可能经过两次碰撞而失去能量，因此又造成板极电流I_A下降．同理，凡在

的地方板极电流都会相应下降。所以曲线中的峰值对应的电压就是氩原子第一激发电位V_g的整数倍，曲线中相邻峰值的差值就是原子的第一激发电位V_g。