Das Franck-Hertz Experiment*

1914 führten James Franck und Gustav Hertz ein Experiment durch, das die Existenz von angeregten Zuständen in Quecksilberatomen demonstrierte. Damit konnte die Quantentheorie bestätigt werden, die vorhersagte, dass Elektronen nur diskrete, quantisierte Energiezustände einnehmen. Die Elektronen wurden in einer Glasröhre, gefüllt mit Quecksilberdampf, durch eine Spannung zu einem positiv geladenem Gitter hin beschleunigt. Hinter dem Gitter war eine Kollektorplatte mit einer kleinen negativen Spannung gegenüber dem Gitter. Die Werte der Beschleunigungsspannung, bei denen der Strom abfiel, gaben ein Maß für die Energie, die nötig ist um ein Elektron in einen angeregten Zustand zu versetzen.
*Nobelpreis für Physik, 1925
Weitere Erläuterungen Aufbauskizze Messwerte für Quecksilber Messwerte für Neon

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Das Franck-Hertz Experiment

Die Elektronen werden in der Franck-Hertz-Apparatur beschleunigt und der gemessene Strom wächst mit der Beschleunigungsspannung. Wie die Messwerte zeigen, sinkt der Strom schlagartig, sobald die Beschleunigungsspannung 4,9 V erreicht. Dies war ein Anzeichen für ein neues Phänomen, das den Elektronen so viel Energie entnahm, dass diese die Kollektorplatte nicht mehr erreichen konnten. Der Abfall ist auf inelastische Stöße zwischen den beschleunigten Elektronen und den Elektronen der Quecksilberatome zurückzuführen. Der anfängliche Anstieg kommt daher zustande, dass die Quecksilberelektronen keine Energie aufnehmen, bis die Grenze erreicht ist, an der sie in einen angeregten Zustand gehoben werden können. Dieser 4,9 Volt angeregter Zustand entspricht einer starken Linie im ultravioletten Emissionsspektrum des Quecksilbers bei 254 nm (4,9 eV Photonen). Die Abfälle im gemessenen Strom treten bei Vielfachen von 4,9 Volt auf, da die beschleunigten Elektronen, die ihre Energie bei einem Stoß abgegeben haben, erneut beschleunigt werden können und weitere Stöße bei jeweils 4,9 Volt verursachen können. Dieses Experiment war eine deutliche Bestätigung für die Idee der quantisierten Energiezustände der Atome.

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Skizze der Franck-Hertz-Apparatur


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Franck-Hertz Messwerte für Quecksilber

Diese originalen Franck-Hertz Messwerte zeigen, dass die Elektronen 4,9 eV pro Stoß mit den Quecksilberatomen verlieren. Bis zu zehn Abfälle in folge können in Intervallen von 4,9 Volt beobachtet werden.



Aufbauskizze

weitere Erläuterungen

Messwerte von Jason Lee und Bruce Rountree

Links ist eine Franck-Hertz Messkurve für Quecksilber abgebildet. Der Strom und die Beschleunigungsspannung wurden mit einem Oszilloskop im x-y-Modus gemessen und aufgetragen. Die gemessenen Abstände der Peaks entsprechen der Anregungsenergie des beteiligten Quecksilberübergangs.

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Franck-Hertz Messwerte für Neon


Für Neongas erzeugt der Prozess der Energieabsorption der Elektronenstöße einen sichtbaren Nachweis. Nach der Anregung von Neon in höhere Energiezustände durch die beschleunigten Elektronen, gehen die Atome wieder in den Grundzuständ über und produzieren dabei ein sichtbares Leuchten in den Regionen, in denen die Anregung stattfindet. Es gibt ungefähr zehn angeregte Zustände in dem Bereich von 18,3 bis 19,5 eV. Diese gehen in niedrigere Zustände bei 16,57 und 16,79 eV über. Diese Energiedifferenz ergibt Licht im sichtbaren Bereich. Da die beschleunigten Elektronen inelastische Stöße mit den Neonatomen durchführen und danach erneut beschleunigt werden, können sie eine Reihe von solchen Stößen mitmachen, wenn die Beschleunigungsspannung hoch genug ist. Die Beschleunigungsspannung der Franck-Hertz-Apparatur, die für die Bilder verwendet wurde, liefert eine Spannung von etwa 80 Volt, mit denen bis zu vier Stöße stattfinden können. Unter passenden Bedingungen kann dies als vier leuchtende Streifen in den Stoßregionen beobachtet werden.

Links ist eine Franck-Hertz Messkurve für Neon abgebildet. Der Strom und die Beschleunigungsspannung wurden mit einem Oszilloskop im x-y-Modus gemessen und aufgetragen. Der gemessene Abstand zwischen den Peaks entspricht einem Mittelwert der Anregungsenergien der beteiligten Neonübergänge.

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