Der Franck-Hertz-Versuch belegt die Existenz von diskreten Energieniveaus bei Atomen.
Elektronen werden aus einer Glühwendel gelöst und durch die Beschleunigungsspannung beschleunigt. Hierbei fliegen sie durch Quecksilber-Dampf unter einem ganz bestimmten Druck und danach durch ein Abbremsfeld. Hierbei wird der ankommende Strom an Elektronen in Relation zur Beschleunigungsspannung gemessen und Lichterscheinungen beobachtet.
Anfangs steigt die Stromstärke bis zu einem gewissen Wert und fällt dann ab. Im Tief ist am Ende der Beschleunigungsstrecke ein Lichtstreifen zu sehen. Die Energie der Elektronen steigt über die Strecke und ist am Ende am höchsten. Hierbei geschehen dauerhaft elastische Stöße, wobei die Elektronen nahezu keine Energie verlieren. Doch bei einer ganz bestimmten Energie der Elektronen kann es zu inelastischen Stößen mit den Quecksilber-Atomen kommen, bei welchen die Elektronen das Atom bzw. die Elektronen in diesem anregen, wobei die ganze abgegebene Energie danach wieder in Form von Licht frei wird. Wird die Spannung dann wieder erhöht, verschiebt sich der Streifen in Richtung der Kathode (schon früher ist die richtige Energie vorhanden). Mehrere Streifen entstehen, falls die Elektronen nach dem ersten inelastischen Stoß wieder so beschleunigt werden, dass sie einen zweiten und danach eventuell weitere durchführen können. Im Versuch stellt sich heraus, dass nur bestimmte Energien absorbiert werden (nicht zu klein und nicht zu groß). Nur Elektronen, welche nach dem Gitter noch genug Energie besitzen, um die Abbremsspannung zu überwinden, gelangen zum Auffänger. Der Graph steigt überhaupt insgesamt an, weil nicht alle Elektronen Zusammenstöße erfahren und die Anzahl mit der Spannung steigt (der Graph geht nicht auf 0 zurück). Der Abstand der Minima / Maxima ist gleich, da nach jeweils diesem Wert ein neuer Streifen angeregt werden kann.
Bei dem Erscheinen eines ersten Streifens entspricht die Energie der emittierten Photonen der gesamten durch Beschleunigung hervorgerufenen Energie:
Strom ist immer zu beobachten, wenn die Elektronen genug Energie innehalten, um die Abbremsspannung zu überwinden.
Insgesamt folgt aus dem Versuch, dass Atome Energiestufen besitzen auf die sie angeregt werden können und beim Abfall auf eine tiefere Stufe Licht emittieren. Die Energie des Photons entspricht dem Energieunterschied zweier Energiestufen.
Im Franck-Hertz-Versuch wird durch die Ausbremsung beim Erreichen des ersten Niveaus über dem Grundniveau kein noch höheres Energieniveau erreicht.
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