Mit Hilfe des Franck-Hertz-Versuches konnte 1913 zum ersten Mal durch ein quantenphysikalisches Experiment nachgewiesen werden, dass die Energieabgabe von Atomen nur in festen Portionen (Quanten) erfolgen kann. Damit konnte dieser Aspekt des Bohrsche Atommodells bestätigt werden.
Versuchsanordnung
In einem evakuierten Glaskolben ist ein Tropfen Quecksilber. Durch hohe Temperaturen wird dieser verdampft, sodass der Kolben mit Quecksilberdampf gefüllt ist (Andere Arten von Röhren sind mit anderen Gasen gefüllt, z.B. Neon). Am Boden befindet sich ein Draht, der negativ geladen wird und Elektronen emittiert (Kathode). Darüber ist ein geerdetes Gitter, über dem sich eine Platte (Anode) befindet, die leicht negativ geladen wird. Die emittierten Elektronen werden durch das elektrische Feld zwischen Draht und Gitter beschleunigt und nach Durchfliegen des Gitters von elektrischen Feld zwischen Gitter und der Platte am oberen Ende abgebremst. Der Strom zwischen Gitter und Anode wird mithilfe eines Messverstärkers gemessen.
Auswertung
Die gemessenen Werte steigen zunächst exponentiell, bis zu einer bestimmten Spannung. Ab dieser Spannung fällt der Strom ab, sinkt langsamer und steigt dann wieder an. Bei dem doppelten Wert der Spannung, bei der der Strom zum ersten Mal abfiel, fällt er auch dieses Mal wieder ab um dann langsamer zu sinken und schließlich wieder zu steigen. Dies wiederholt sich periodisch, dabei steigt der Strom jedesmal höher.
Dies hängt mit damit zusammen, dass Elektronen, sobald sie eine Energie von ca. 4,9eV besitzen, beim Stoß mit den Atomen des Füllgases kinetische Energie abgeben können. Das getroffene Atom wird dabei angeregt und emittiert kurze Zeit später Lichtquanten. Damit lässt sich die Messung erklären: Zunächst steigt der Strom, weil das beschleunigende Feld stärker wird und mehr emittierte Elektronen die Gegenspannung überwinden, die zwischen Gitter und der Auffangplatte besteht. Wenn die Spannung die Elektronen jedoch zu stark beschleunigt, geben sie beim Stoß mit den Gasteilchen Energie ab. Daher haben weniger von ihnen eine ausreichende kinetische Energie um das abbremsende Feld zu überwinden. Der gemessene Strom nimmt somit ab. Beim Erhöhen der Beschleunigungsspannung werden auch die Elektronen, die beim Stoß Energie abgeben, wieder stark genug weiterbeschleunigt, sodass die Zahl der Elektronen, die die abbremsende Spannung überwinden, wieder größer wird, bis die beschleunigende Spannung die Elektronen so stark beschleunigt, dass sie ein zweites Mal die erforderlichen 4,9eV an ein Gasteilchen abgeben können.
Das besondere an diesem Ergebnis ist, dass die Elektronen eine kinetische Mindestenergie benötigen um die Gasatome anregen zu können. Daran kann man eine Quantelung erkennen, weil immer ein bestimmter, fester Energiebetrag übertragen wird. Das von den Quecksilberatomen emittierte Licht ist mit einer Wellenlänge von ca. 253 nm im ultravioletten Bereich und damit nicht sichtbar.