Franck-Hertz-Versuch


James Franck und Gustav Hertz wiesen 1913 zuerst die quantenhafte Absorption von Energie in Atomen nach, wie sie vom Bohrschen Atommodell vorhergesagt wurde. Die Energie kam in ihrem Experiment von relativ energiearmen Elektronen und wurde an Quecksilberatome abgegeben. Das Quecksilber lag dabei bei sehr geringem Druck dampfförmig vor. Der Energieverlust wurde als Abnahme der Stromstärke des Anodenstroms sichtbar. Einen solchen Energieverlust beobachteten sie zuerst bei Elektronenenergien von 4,9V, dann beim Zweifachen und beim Dreifachen dieses Wertes. Die von den Atomen aufgenommene Energie wird von den Quecksilberatomen in Form von Photonen sofort wieder abgegeben. Allerdings sind die Photonen bei Quecksilber zu energiearm und deshalb nicht sichtbar. In der Schule verwendet man deshalb eine Röhre, die mit Neon gefüllt ist. Bei dieser Röhre sind die Photonen sichtbar.
Franck-Hertz-Versuch
Die Röhre - eine Tetrode mit vier Anschlüssen - ist auf einem Schaltbrett montiert. Für die Heizung benutzt man den 6V-Anschluss eines Versorgungsgerätes der Firma Neva. Aus diesem Gerät entnimmt man auch die Beschleunigungsspannung bis max. 60V. Zwischen Kathode und Steuergitter legt man max. 8V Gleichspannung aus einem kleinen Phywe-Netzgerät an. Ein Gerät gleicher Bauart benutzt man für die Gegenspannung zwischen Anode und Auffängerelektrode. Zur Messung des Stroms wird ein ntl-Multimeter mit vorgeschaltetem Nanoampère-Verstärker eingesetzt. Man benutzt hierzu ein abgeschirmtes Kabel "BNC auf 4mm-Stecker". Wichtig ist der gemeinsame Erdpunkt. Die Erde kann man dem Neva-Versorgungsgerät entnehmen. Alternativ kommt eine externe Erdung in Frage. Zur Messung der Gegenspannung und der Bremsspannung genügen Messgeräte bis mit 10V-Anzeige; für die Beschleunigungsspannung wird ein Multimeter benötigt.
Nun wird die Beschleunigungsspannung langsam erhöht. Sollten am Strommesser negative Ausschläge festgestellt werden, muss die Bremsspannung heruntergefahren werden: 4 bis 6V sind dann genug. Bei 20V tritt eine Verringerung des Auffängerstroms ein, es entsteht eine leuchtende Schicht in der Röhre. Bevorzugt werden Anregungszustände mit Energien zwischen 18,3eV und 18,9eV angeregt.
Die Röhre wird vor der Inbetriebnahme zehn Minuten vorgeheizt. Die Gegenspannung darf nicht zu hoch sein, sie liegt im Bereich 6 bis 10V. Insgesamt sollen drei Minima angeregt werden. Die Gegenspannung ist eventuell anzupassen, auch ein Vorwiderstand an der Heizung ist hilfreich. Entsprechend sieht man in der Röhre drei Anregungsschichten. Die Beschleunigungsspannung darf nicht so hoch werden, dass eine Gasentladung in der Röhre zündet.