Franck-Hertz-Versuch

Mit Hilfe des Franck-Hertz-Versuches von James Franck und Gustav Ludwig Hertz 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 Bohrschen Atommodells bestätigt werden. Für diesen Versuch wurde ihnen der Nobelpreis verliehen. Der Franck-Hertz-Versuch gehört zu den eindrucksvollsten Versuchen der Quantenlehre und ist gleichzeitig relativ einfach aufgebaut. Es ist deshalb ein sehr beliebter Demonstrationsversuch der Schulphysik.

Versuchsanordnung

In einem evakuierten Glaskolben befindet sich ein Gas (z. B. Quecksilberdampf oder Neon) mit niedrigem Druck (typischerweise im Bereich von 10 bis 20 mbar). Auf einer Seite des Glaskolbens befindet sich ein Draht (Kathode K), der mittels der Spannung U_h geheizt wird. Durch die regelbare Spannung U_b erhält diese Kathode ein negatives Potential gegenüber dem, sich in der Mitte des Glaskolben befindlichen, Gitter G. Auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich eine Platte (Anode A), die gegenüber dem Gitter ein leicht negatives Potential besitzt. Die von der Kathode emittierten Elektronen werden durch das elektrische Feld zwischen Kathode und Gitter beschleunigt und nach Durchfliegen des Gitters vom elektrischen Feld zwischen Gitter und Anode abgebremst. Der Strom zwischen Gitter und Anode wird mit Hilfe eines empfindlichen Amperemeters gemessen.

Auswertung

Erhöht man die Spannung U_b, wachsen die gemessenen Stromwerte 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 jedes Mal höher.

Dies hängt damit zusammen, dass Elektronen, sobald sie eine Energie von ca. 4,9 eV besitzen, beim Stoß mit den Atomen des Füllgases kinetische Energie, bei Quecksilber eben diese 4,9 eV, abgeben können. Das getroffene Atom wird dabei angeregt, d.h. ein Hüllenelektron nimmt die abgegebene Energie auf und springt gemäß des Bohrschen Atommodells auf eine höhere Schale. Da dieser Zustand instabil ist, fällt es unter Emission eines Lichtquants kurze Zeit später zurück in den Grundzustand. 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 4,9 eV 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.

Weblinks

Boh is bombisch alta