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Lexikon der Physik: Franck-Hertz-Versuch

Franck-Hertz-Versuch, 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.

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Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
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Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
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Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
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Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
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Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
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Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
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Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
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