Atomphysik

Atomarer Energieaustausch

Franck-Hertz - Historisches

  • Warum leuchten Gase in verschiedenen Farben?
  • Wie stoßen Atome miteinander?
  • Was versteht man unter einem Quantensprung?

Franck-Hertz - Historisches

James Franck
geb. 1882 in Hamburg
gest. 1964 in Göttingen

Gustav Hertz
geb. 1887 in Hamburg
gest. 1975 in Ostberlin

Um 1914 (also ein Jahr nachdem Bohr sein Modell formuliert hatte) beschäftigten sich viele Physiker mit Gasentladungen (In ein Gas - meist mit Unterdruck - werden zwei Elektroden eingebracht, an die eine Spannung angelegt wird; auch in der BALMER-Röhre findet z.B. eine Gasentladung statt.). Dabei traten zwei Effekte besonders hervor: zum einen die signifikante Leuchterscheinung, zum anderen die Ionisation des Gases. Um eine Theorie von Townsend zu testen unternahmen Franck und Hertz in Berlin seit 1911 Versuche, bei denen sie die Stöße zwischen Elektronen und Gasatomen untersuchten.

In ihrer Originalarbeit gehen Franck und Hertz fälschlich davon aus, dass sie mit ihrem Versuch die Ionisierungsenergie von Quecksilber (\(4,9{\rm{eV}}\)) gefunden hätten. Auch der folgende Hinweis von Bohr brachte sie zunächst nicht von dieser Einstellung ab.
Bohr (1915):
"Franck und Hertz nehmen an, daß 4,9 Volt der Energie entspricht, die zur Entfernung eines Elektrons aus dem Quecksilberatom erforderlich ist, aber es scheint, daß ihre Versuche möglicherweise mit der Annahme in Einklang zu bringen sind, daß diese Spannung nur dem Übergang vom Normalzustand zu irgend einem anderen stationären Zustand des neutralen Atoms entspricht. . . . .

Hertz schreibt rückblickend, nachdem sich die bohrsche Theorie durchgesetzt hatte, über ihre Situation 1914:
"Es war so als wenn ein Forscher ein unbekanntes Land erforschen wollte und bemerkte, daß er, ohne es zu wissen, bereits eine vollständige Karte dieses Landes in den Händen hatte. Diese Karte ist in unserem Falle das Termschema und ihr Maßstab ist durch das Plancksche Wirkungsquantum gegeben."

Nachdem Franck und Hertz klar war, dass inelastische Stöße zwischen den Elektronen und den Quecksilberatomen stattgefunden haben, bestimmten sie noch den Zusammenhang zwischen den Energieverlusten der Elektronen und der Lichtemission des Gases. Dazu bestrahlten sie das Quecksilbergas mit monoenergetischen Elektronen der Energie \(4,9{\rm{eV}}\) und konnten tatsächlich die Emission einer monochromatischen Strahlung von \(253,7{\rm{nm}}\) nachweisen. Es galt also sehr genau:
\[h \cdot f = e \cdot U\]
Durch Abänderung der klassischen Apparatur (Trennung von Beschleunigungsraum und Anregungsraum) und durch Gasverdünnung gelang es Franck und Hertz später auch sehr nahe beieinanderliegende und auch höhere Energiestufen des Atoms anzuregen.

Im Jahre 1925 bekamen Franck und Hertz für ihre Arbeiten, die sich letztlich als eine gute Bestätigung der bohrschen Theorie herausstellten, den Nobelpreis für Physik.

Die englischsprachigen Biographien von  FRANCK und HERTZ (mit Links zu ihren Nobelvorträgen) finden Sie hier bzw. hier.

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