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DER FRANCK – HERTZ VERSUCH
I.
EINLEITUNG....................................................................................................... 1
II.
DIE WISSENSCHAFTLER.................................................................................. 2
Gustav Ludwig Hertz
2
James Franck
2
III.
VERSUCH VON LENARD............................................................................... 3
Versuchsaufbau
IV.
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VERSUCH VON FRANCK UND HERTZ......................................................... 4
Versuchsaufbau:
4
Zusatzbemerkungen:
7
Quellenangaben:
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I. Einleitung
»...der Stoß von Elektronen auf Atome. Wir hatten ihn untersucht als ein Vorgang, der in der
Gasentladung eine Rolle spielt, aber die Wechselwirkung zwischen Elektron und Atom ist
natürlich ein Problem der Atomphysik, und der Versuch, der jetzt als Franck-Hertz-Versuch
bekannt ist, der war das Ergebnis dieser Arbeiten, für den haben wir ja später auch den
Nobelpreis bekommen. Das Ergebnis dieses Versuches war, daß die Elektronen am
Quecksilberatome keine Energie abgeben beim Zusammenstoß, solange ihre Energie einen
gewissen Schwellenwert nicht erreicht. Das wichtigste Resultat unserer Versuche war einmal,
daß dieser Schwellenwert existierte, und zum anderen, daß er genau gleich dem Planckschen
Energiequantum für die Resonanzlinie des Quecksilberdampfes war. Nun, das brauche ich
hier nicht im Einzelnen auseinanderzusetzen. Wir deuteten es also in diesem Sinne. In
Wirklichkeit war es eine wichtige Bestätigung der Grundannahmen der neuen Bohrschen
Theorie des Atoms. Wir haben das selbst damals noch nicht voll verstanden, es hat sich dann
kurz hinterher herausgestellt. Wir hätten es wahrscheinlich selbst auch gemerkt, aber damals
wurden unsere Untersuchungen durch den Krieg unterbrochen und mußten also zunächst
ruhen.«
Rede G. Hertz' in einem Dokumentarfilm
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II. Die Wissenschaftler
Gustav Ludwig Hertz
1887
geboren in Hamburg
Hertz studierte an den Universitäten Göttingen,
München und Berlin
1925
Nobelpreis für Hertz und den amerikanischen
Physiker für den experimentellen Nachweis von
Elektronenstößen
1925-1927
Professor für Experimentalphysik an der Universität Halle
1928-1935
Professor an der Technischen Hochschule Berlin
Direktor im Siemens-Forschungslaboratorium Berlin
ab 1945
Atomforschung in der ehem. UdSSR
1951
Hertz erhält den Stalinpreis
1975
Tod Hertz’
James Franck
1882
geboren in Hamburg; Studium an den Universitäten
Heidelberg und Berlin
Professor für Physik an versch. Universitäten in
Deutschland und den USA
1925
Nobelpreis für Franck und Hertz
Auch bei der Untersuchung der Photosynthese leistete
Franck bedeutende Beiträge
1964
Tod Francks
Mehr zu den geschichtlichen Daten der beiden Physiker findet man unter:
• http://www.nobel.se/physics/laureates/1925/franck-bio.html
• http://www.nobel.se/physics/laureates/1925/hertz-bio.html
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III.Versuch von Lenard
Versuchsaufbau:
Schon 1902 hatte Philipp Lenard Stöße von Elektronen mit Atomen untersucht, und gezeigt,
dass Elektronen eine Minimumsenergie besitzen müssen um Ionisation zu bewirken.
Dabei werden die durch Glühemission erzeugten freien Elektronen durch die Gitterspannung
UG beschleunigt und gelangen so in den Versuchsraum.
Zwischen dem Gitter g und der Auffängerplatte A liegt die Spannung UA an. Die Platte A ist
dabei gegenüber dem Gitter negativ aufgeladen. Dies bewirkt nun eine Abbremsung der vom
Gitter G austretenden Elektronen. Die Spannung UA wird nun so gewählt, dass die Elektronen
nicht genügend kinetische Energie besitzen um gegen das Feld anzulaufen, somit fallen sie
zurück auf das Gitter G.
Wenn aber die kinetische Energie der einfallenden Elektronen ausreicht um die Gasatome zu
ionisieren, dann entsteht ein positiv geladenes Ion, welches nun durch das zwischen Gitter G
und Auffängerplatte herrschende Potential beschleunigt wird.
Dadurch kann man Ionisationsprozesse als Strom am Auffänger messen. Das Ergebnis dieser
ist in folgender Grafik dargestellt:
Dabei ist der positive Ionenstrom in
Abhängigkeit der Gitterspannung UG aufgetragen. Der Strom setzt erst bei einer gewissen
Spannung UGi abrupt ein. Die Elektronen
brauchen also eine Mindestenergie E = e.UGi um
die Gasatome zu ionisieren, dabei kann man UGi
als Ionisationspotential bezeichnen.
Wie schon erwähnt erfolgte das Experiment schon 1902. Erst 11 Jahre später konnten Franck
und Hertz zeigen dass man mit Elektronenstößen die Existenz diskreter Energieniveaus im
Atom unabhängig von der optischen Spektroskopie nachweisen kann.
Der von Franck und Hertz verwendete Versuchsaufbau ähnelt dabei sehr dem von Lenard
verwendeten.
Lenard war es auch der 1900 die wichtigsten Gesetzmäßigkeiten des lichtelektrischen Effekts
aufdeckte: Bei wachsender Lichtintensität wächst zwar die Zahl der ausgelösten Elektronen,
aber deren Geschwindigkeit bleibt unverändert. Die Elektronengeschwindigkeit ist
ausschließlich von der Frequenz des eingestrahlten Lichts abhängig.
1905 wird Lenard für seine Arbeit mit Kathodenstrahlen der Nobelpreis für Physik verliehen.
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1936 bekommt Lenard als erstes den von der Nationalsozialistischen Deutschen
Arbeiterpartei (NSDAP) verliehenen Wissenschaftspreis. Lenards vierbändiges Lehrbuch für
Experimentalphysik "Deutsche Physik" erscheint: Demnach könne wahre Naturkenntnis nur
von der "arischen Rasse" gewonnen werden. Die Arbeiten Einsteins bezeichnet Lenard als
"Jahrmarktslärm" und "Judenbetrug".
IV. Versuch von Franck und Hertz
Versuchsaufbau:
Im Gegensatz zum schematischen Aufbau von Lenard bedeutet hier UG Gegenspannung und
nicht mehr Gitterspannung (= Beschleunigungsspannung)! Wie beim Versuch von Lenard
befindet sich aber in einer evakuierten Glasröhre eine geringe Menge Quecksilber (Hg). Die
Gitterspannung UB ist wieder variabel. Zwischen der Auffängerplatte und dem Gitter legt man
jedoch nun beim Franck-Hertz Versuch eine kleinere und somit überwindbare
Potentialdifferenz an. Wird nun eine Spannung UB wischen Kathode und Gitter gelegt, so
werden die aus der Glühkathode austretenden Elektronen zum Gitter hin beschleunigt.
Danach durchlaufen diese einen mit Quecksilber gefüllten Versuchsraum und gelangen zum
Auffänger. Liegt nun zwischen Gitter und Anode eine Gegenspannung UG an, so können nur
diejenigen Elektronen zur Anode gelangen, deren kinetische Energie größer ist als e·UG:
Ekin = ½mv2 > e·UG
Dieser Effekt wird nun im Franck-Hertz-Versuch
ausgenutzt: Auf dem Weg zwischen Gitter und
Anode können die Elektronen durch unelastische
Stöße mit den Hg-Atomen einen Teil ihrer
kinetischen Energie abgeben. Beim elastischen Stoß
verlieren sie keine Energie, diese Vorgänge finden
hpts. bei geringer Beschleunigungsspannung statt, da
hier die Energie zur Anregung noch nicht ausreicht.
Sinkt durch die Stöße ihre kinetische Energie unter
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(1)
den Wert e·UG, so können sie nicht mehr die Anode erreiche, als Folge geht der Anodenstrom
stark zurück. Die Quecksilberatome können aufgrund ihrer diskreten Energieniveaus nur ganz
bestimmte Energien aufnehmen, welche den Differenzen E zwischen den Energien von
Grundzustand (E0) und angeregten Zuständen (E1, E2, ...) entsprechen:
E = E1 - E0, E2 - E0, ...
(2)
Der niedrigste angeregte Zustand des Quecksilbers liegt 4,89 eV über dem Grundzustand.
Dies ist dann auch die kleinste Energie, die ein Elektron durch unelastische Stöße mit den HgAtomen verlieren kann. Die Hg-Atome geben diese Anregungsenergie wieder in Form von
ultraviolettem Licht ab:
h·ν = E1 - E0
(3)
somit ergibt sich:
λ=
c
h⋅c
=
= 253,7 nm
ν E1 − E0
(4)
Quecksilber hat bei Raumtemperatur einen Dampfdruck von etwa 100 Pa (1 mbar). Damit
solche Stöße mit großer Wahrscheinlichkeit stattfinden können, ist eine gewisse HgDampfdichte erforderlich. Diese wird bei etwa 170°C erreicht (Hg-Dampfdruck 20 mbar). Bei
niedrigeren Temperaturen sinkt infolge geringerer Hg-Dampfdichte die Zahl der unelastischen
Stöße, wodurch der Einfluss auf den Anodenstrom reduziert wird (a). Bei höheren
Temperaturen führt die erhöhte Stoßwahrscheinlichkeit zu einer geringen Modulation des
Anodenstromes (c). Bei optimaler Dampfdichte ist die Modulation deutlich zu erkennen (b).
Kennlinien bei verschiedenen Röhrentemperaturen. a) Röhre zu kalt,
b) Röhre richtig temperiert, c) Röhre zu heiß.
Wie schon oben erwähnt liegt die Anregungsenergie des Quecksilbers bei ca. 5 eV. Beim
Hochfahren der Beschleunigungsspannung steigt auch der Auffängerstrom. Erreicht man aber
jetzt die 5 V so sinkt der Strom stark ab da die Elektronen ihre kinetische Energie an das
Quecksilberatom abgegeben haben und dadurch nicht mehr genügend Energie besitzen um die
Gegenspannung zu überwinden. Bei weiterer Steigerung der Spannung wird der Strom wieder
ansteigen, erst bei 10 V wird wieder ein Rückgang festzustellen da die Elektronen nun
genügend Energie besitzen um zwei Stöße durchzuführen. Damit ergibt sich folgende
Messkurve:
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Um das Auflösungsvermögen zu steigern kann man eine indirekt geheizte Kathode und einen
feldfreien Stoßraum verwenden. Dadurch erreicht man eine größere Homogenität der
Energien der beteiligten Elektronen.
Dabei erfolgt der Stoß im feldfreien Raum zwischen den beiden Gittern:
Tatsächlich erhält man so eine Vielzahl von Strukturen. Diese entsprechen weiteren
Anregungsstufen des Atoms, so z.B.: die Stufe bei 6,73 eV, diese entspricht einer weitern sehr
intensiven Linie des Hg-Spektrums: 6,73 eV entsprechen 185 nm.
Jedoch lassen sich nicht alle Maxima der Kurve zu beobachteten Spektrallinien zuordnen.
Daher muss angenommen werden dass bei Anregung durch Stoß auch optisch verbotene
Übergänge möglich sein können.
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Zusatzbemerkungen:
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Strahlt man z.B.: die gelbe Na – Linie (2,11 eV) in Na – Dampf unter niedrigem
Druck ein, so kann dieser ebenfalls zum leuchten angeregt werden. Jedoch erfolgt die
Anregung nur, wenn die Energie der eingestrahlten Photonen genau der
Anregungsenergie entspricht. Sowohl zu kleine als auch zu große Energien führen zu
keiner Anregung.
•
Elektronen verhalten sich anders: Anregung erfolgt auch mit zu hoher Energie. Die
Ursache hierfür liegt in der nicht gequantelten Energie der freien Elektronen. Nach
dem Stoß und der Anregung kann bei zu hoher Energie daher ein Betrag an kinetischer
Energie übrigbleiben, und wenn groß genug noch weitere Atome anregen.
Die Elektronenstoß – Versuche beweisen also die Existenz von diskreten Energieniveaus in
Atomen und sind somit die Bestätigung der Grundannahme der Bohrschen Theorie.
Quellenangaben, Kontakt:
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Haken, Wolf: Atom- und Quantenphysik; Springer 2004; 8. Auflage
Demtröder: Experimentalphysik 3; Springer 2000; 2. Auflage
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