Überblick

Ein Grundstein der Atomphysik

Die gängige Lehrbuchinterpretation des Franck-Hertz-Experiments lässt viele Fragen offen.

  • Robert E. Robson, Malte Hildebrandt und Ronald D. White
  • 03 / 2014 Seite: 43

Das Franck-Hertz-Experiment aus dem Jahre 1914 fehlt in keinem Lehrbuch, zeigt es doch anschaulich die quantisierten Eigenschaften der Atome und legt ­damit den Grundstein für die moderne Atomphysik. Allerdings versagt die traditionelle Interpretation, wenn mehrere angeregte Niveaus ins Spiel kommen. Nur eine Analyse aus dem Blickwinkel der elementaren kinetischen Gastheorie erlaubt es, den korrekten Zusammenhang zwischen mikroskopischen Vorgängen, die den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen, und den im Labor gemessenen makroskopischen Größen herzustellen.

Die bedeutenden Experimente des späten 19. und frühen 20. Jahrhunderts zur Untersuchung von elektrischen Strömen in Gasen leiteten eine neue Epoche in der Geschichte der modernen Physik ein. Besonders bemerkenswert in diesem Zusammenhang sind die Experimente, die James Franck und Gustav Hertz ab dem Jahr 1911 in Berlin durchführten. Bis 1914 untersuchten sie die Wechselwirkung langsamer Elektronen mit neutralen Gasatomen. Ihr Ziel war eine allgemeine „kinetische Theorie der Elektronen in ­Gasen“, da Franck Aussagen von J. S. Townsend zum Elektronenstreuprozess be­zweifelte.

Franck und Hertz verbesserten die experimentellen Methoden, mit denen unter anderem Philipp Lenard die Kathodenstrahlen in Gasen untersucht hat. Die bahnbrechende Untersuchung in Quecksilberdampf, 1914 veröffentlicht und üblicherweise als „das“ Franck-Hertz-Experiment bezeichnet, interpretierten sie zunächst als Messung der Ionisierungsspannung von Quecksilber. Erst nach weiteren Experimenten zur Lichtemission von Quecksilberdampf erkannten beide, dass es sich um ein Anregungsniveau des Queck­silberatoms handelt. Für ihre Arbeiten erhielten Franck und Hertz den Nobelpreis für Physik des Jahres 1925.

Das Experiment selbst ist heute als Standardprodukt im Fachhandel erhältlich, und Generationen von Physikstudenten haben es im Praktikum durchgeführt, wahrscheinlich primär aus pädagogischen Gründen. Die entsprechenden Erklärungen in den üblichen Lehrbüchern oder auf heutzutage unzähligen Internetseiten sind jedoch sehr vereinfacht, und die wahre Vielfalt der involvierten Physik wurde bis vor einigen Jahren übersehen.

Gegenüber der von Franck und Hertz verwendeten zylindrischen Geometrie wird heute meist ein Aufbau mit ebener Elektrodenanordnung vorgezogen. Die Kathode emittiert Elektronen mit einer konstanten Rate in den gasgefüllten Driftraum, wo sie beim Durchlaufen einer Potentialdifferenz zum Kontrollgitter in elastischen und inelastischen Stößen an den Gasatomen streuen. Eine Bremsspannung zwischen Kontrollgitter und Anode erlaubt nur Elektronen ausreichender Energie, die Anode zu erreichen und damit zum Anodenstrom IA beizutragen. Als Funktion der Spannung U oszilliert dieser Strom, wobei die Abstände ∆U zwischen den Strommaxima üblicherweise direkt einem quantisierten atomaren Energieniveau zugeordnet werden. ...

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