Franck-Hertz-Versuch

Als Franck-Hertz-Versuch wird das vorletzte Glied einer dreijährigen Serie von Experimenten bezeichnet, mit denen James Franck und Gustav Hertz untersuchten, wie viel Energie von einem Elektron bei einem Stoß mit einem Atom auf dieses übertragen wird. Die Ergebnisse wurden 1914 veröffentlicht und gelten, obwohl die beiden Experimentatoren zunächst eine andere Interpretation vertraten, als erster direkter Beleg für diskrete Energieniveaus in Atomen, wie sie 1913 von Niels Bohr in den Bohrschen Postulaten theoretisch gefordert worden waren. Das Experiment stützte das Bohrsche Atommodell, das bis zur Entwicklung der Quantenmechanik im Jahr 1925 erheblich zur Fortentwicklung der Quantenphysik beitrug. Franck und Hertz erhielten für dieses Experiment im Jahr 1925 den Nobelpreis für Physik.

In dem Experiment wird gemessen, wie viel Energie den Elektronen verbleibt, nachdem sie ein Gas aus Quecksilberatomen durchquert haben, in dem sie durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden. Die Messungen zeigen, dass die Elektronen nach Durchlaufen einer Beschleunigungsspannung von weniger als 4,9 V mit den Atomen nur elastisch zusammenstoßen und dabei praktisch keine Energie übertragen. Oberhalb dieser Schwelle geben sie beim Stoß 4,9 eV Energie an das Atom ab. Im letzten Versuch ihrer Versuchsreihe wiesen Franck und Hertz dann nach, dass die Atome, die diese Energie aufgenommen hatten, Licht aussenden, dessen Photonen gerade die Energie 4,9 eV besitzen. Damit wurde auch das zweite Bohrsche Postulat im Experiment bestätigt. Die Versuche zeigen, dass in Atomen Energieaufnahme und -abgabe nur in Form diskreter Energiepakete (Quanten) erfolgt.

Der Franck-Hertz-Versuch gehört zu den eindrucksvollsten Belegen der Quantenphysik und ist gleichzeitig relativ einfach aufgebaut. Er ist deshalb ein beliebter Demonstrations- und Praktikumsversuch in der Physikausbildung.