Franz-Hertz-Versuch

In einem Glaskolben befindet sich ein Gas (z.B. Quecksilberdampf oder Neon) mit niedrigem Druck im Bereich von $10$ bis $20$ $mbar$. Auf einer Seite des Glaskolbens befindet sich eine geheizte Glühkathode $K$, die durch die regelbare Spannung $U_b$ etwas negativer als das Gitter $G$ geladen wird. Wenige Millimeter hinter dem Gitter befindet sich eine Auffangelektrode $A$, die gegenüber dem Gitter ein leicht negatives Potential von etwa $1$ $V$ besitzt.

In dieser Anordnung werden Elektronen zwischen Glühkathode $K$ und dem Gitter $G$ beschleunigt und mit den Quecksilberatomen zum zusammenstoßen gebracht. Mit dem schwachen Gegenfeld zwischen Gitter $G$ und Auffangelektrode $A$ wird dann gemessen, wie viele Elektronen beim Durchtritt durch das Gitter noch eine gewisse Mindestenergie überschreiten.

Die von der Kathode emittierten Elektronen werden durch das elektrische Feld zwischen Kathode und Gitter beschleunigt und erreichen unmittelbar vor dem Gitter ihre höchste Geschwindigkeit. Die meisten Elektronen landen auf dem Gitter, durchlaufen die Stromquelle $U_b$ und werden dann wieder zur Kathode zurücktransportiert. Wenige passieren das Gitter und werden von dem schwachen elektrischen Feld zwischen Gitter und Auffangelektrode $A$ abgebremst (sogenannte Gegenfeldmethode). Die wenigen Elektronen, die dieses Gegenfeld überwinden können, treffen auf $A$ und werden auf dem Rückweg zum Gitter mit Hilfe eines empfindlichen Amperemeters gemessen.

Wird die Spannung $U_b$ erhöht, wachsen die gemessenen Stromwerte zunächst an (1). Ab einem bestimmten (von der Gasfüllung abhängigen) Spannungswert fällt der Strom ab (2), erreicht einen Minimalwert und steigt dann wieder an (3). Etwa bei dem doppelten Wert der Spannung, bei dem der Strom zum ersten Mal sinkt, fällt er erneut ab (4) und steigt danach wiederum an. Dies wiederholt sich periodisch, dabei steigt die Stromstärke jedes Mal auf einen höheren Wert. Die Abstände zwischen den Maxima bzw. Minima sind näherungsweise konstant.

Der zu beobachtende Abfall der Stromstärke entspricht einer drastisch kleiner werdenden Zahl von zur Anode gelangenden Elektronen. Das hängt damit zusammen, dass die Elektronen, sobald sie eine bestimmte Energie (bei Quecksilber ca. $4,9$ $eV$) besitzen, beim Stoß mit den Atomen des Füllgases kinetische Energie abgeben können. Das getroffene Atom wird bei diesem unelastischen Stoß angeregt, d. h. im bohrschen Atommodell nimmt ein Hüllenelektron die abgegebene Energie auf und springt auf ein höheres Energieniveau. Da dieser Zustand instabil ist, fällt es unter Emission eines Lichtquants kurze Zeit später zurück in den Grundzustand.

Zunächst steigt der Strom, weil das beschleunigende Feld stärker wird und mehr emittierte Elektronen die Gegenspannung überwinden, die zwischen Gitter und der Auffangplatte besteht (1). Dabei erfolgen nur elastische Stöße zwischen den Elektronen und den Gasteilchen, d. h. es kann keine Energieübertragung vom Elektron auf das Atom erfolgen. Wenn die Spannung die Elektronen stark genug beschleunigt, führen sie unelastische Stöße mit den Atomen aus und geben dabei Energie ab (2). Daher sinkt die Zahl der Elektronen mit ausreichender kinetischer Energie, um das abbremsende Feld zu überwinden. Der gemessene Strom nimmt somit ab. Er sinkt jedoch nicht wieder bis auf $0$ Ampere, weil niemals alle Elektronen mit den Atomen unelastisch zusammenstoßen. Es gibt immer Elektronen, die zwar die notwendige Energie zur quantenhaften Absorption erreichen, dann allerdings wegen der geringen Weglänge zum Gitter keinen Stoßpartner mehr finden und registriert werden. Beim Erhöhen der Beschleunigungsspannung $U_b$ werden auch die Elektronen, die beim Stoß Energie abgeben, wieder stark genug weiterbeschleunigt, sodass die Zahl der Elektronen, die die abbremsende Spannung überwinden, wieder größer wird (3), bis die beschleunigende Spannung die Elektronen so stark beschleunigt, dass sie ein zweites Mal die erforderlichen $4,9$ $eV$ an ein Gasteilchen abgeben können (4). Nun existiert nicht nur eine Zone leuchtenden Quecksilbergases, es gibt zwei voneinander getrennte Zonen. Das von den Quecksilberatomen emittierte Licht (der Energie $4,9$ $eV$) ist mit einer Wellenlänge von ca. $253$ $nm$ allerdings im ultravioletten Bereich und damit nicht sichtbar.