Techniklexikon

Franck-Hertz-Versuch

Atom- und Molekülphysik, 1913 von J. Franck und G. Hertz durchgeführter Versuch zum Nachweis der diskreten Struktur der Energieniveaus im Atom durch Elektronenstossanregung. In der historischen Entwicklung der Atomphysik spielte der Franck-Hertz-Versuch eine bedeutende Rolle, da er den ersten Nachweis der Quantennatur der Atome darstellt, der nicht mit optischen Methoden erbracht wurde.

Der Versuchsaufbau ist schematisch in Abb. 1 dargestellt. In einem evakuierten Gefäss befindet sich Quecksilberdampf. Innerhalb des Gefässes befindet sich eine Glühkathode K in Form eines Drahtes. Koaxial dazu angeordnet ist ein zylindrisches Drahtnetz A, das als Anode dient. Dieses Drahtnetz wiederum ist umgeben von einem Hohlzylinder Z aus Platin. Der Strom der in Z ankommenden Elektronen kann mit einem Galvanometer gemessen werden. Zwischen Z und A wird ein leichtes Gegenfeld (z.B. 0,5 V Potentialdifferenz) für die aus K kommenden Elektronen angelegt. Erhöht man die Anodenspannung, so steigt der Galvanometerstrom, wie in Abb. 2 dargestellt, zunächst an, durchläuft ein Maximum und beginnt bei einer Anodenspannung von ca. 5 V stark abzusinken. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die Elektronen bei einer Energie von 4,9 eV gerade in der Lage sind, Hg-Atome in einen angeregten Zustand anzuheben (bei optischer Anregung entspricht dies der Spektrallinie bei 253,7 nm) und deshalb fast ihre gesamte Energie beim Stoss verlieren. Die Elektronen, die ein Hg-Atom angeregt haben, sind also nicht mehr in der Lage, das Gegenfeld zwischen A und Z zu passieren, der Galvanometerstrom sinkt. Bei weiterer Erhöhung der Anodenspannung durchläuft der Strom ein Minimum und steigt dann wieder an, bis bei einer Anodenspannung von 2 × 4,9 V = 9,8 V die Energie eines Elektrons ausreicht, um zwei Hg-Atome anzuregen. Der Galvanometerstrom sinkt also wieder ab usw. Der Resonanzstruktur überlagert ist ein stetiger Anstieg des Galvanometerstroms bei Erhöhung der Anodenspannung, der dadurch zu erklären ist, dass immer mehr Elektronen die Kathode verlassen und ohne Stösse den Dampf durchqueren. Führt man das Experiment anstatt mit Hg z.B. mit Natrium durch, so kann man die Anregung der Atome auch als Leuchten des Dampfes erkennen.

Detailiertere Untersuchungen zeigen, dass, wie in der optischen Spektroskopie, die Anregung verschiedener angeregter Zustände möglich ist, d.h. man erhält Überlagerungen der Resonanzstruktur verschiedener Übergänge. Dazu ist es notwendig, die Energieauflösung zu verbessern. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass zwischen A und Z aus Abb. 1 ein zweites zylindrisches Drahtgitter eingeführt wird, welches auf gleichem Potential wie A liegt. Der überwiegende Teil der Stösse findet dann im feldfreien Raum zwischen den beiden Gittern statt. Dadurch ist gewährleistet, dass alle an Stössen beteiligten Elektronen die gleiche Energie haben. Mit derartigen Anordnungen ist es möglich, verschiedene Energieniveaus aufzulösen. Dabei ist allerdings zu beachten, dass die Auswahlregeln für Stossanregung andere sind als diejenigen für optische Anregung.

Franck-Hertz-Versuch 1: Schematischer Aufbau zum Nachweis der Quantennatur atomarer Energieniveaus durch Elektronenstoss nach Franck und Hertz.

Franck-Hertz-Versuch 2: Messergebnis der Apparatur nach Abb. 1.