Franck-Hertz-Versuch
Der Franck-Hertz-Versuch aus dem Jahr 1914 gilt als erster experimenteller Beleg dafür, dass Atome angeregte gebundene Zustände haben, dies aber nur bei bestimmten „gequantelten“ Energien. Dies waren zentrale neue Annahmen im Bohrschen Atommodell, das 1913 von Niels Bohr vorgeschlagen worden war. Das Experiment wurde von James Franck und Gustav Hertz durchgeführt und stand am Ende einer dreijährigen Serie von Experimenten, in denen die beiden Forscher untersuchen wollten, wie viel Energie ein Elektron bei einem Stoß an ein Atom abgeben muss, um es zu ionisieren. Anschließend wiesen Franck und Hertz in einem weiteren Experiment nach, dass das angeregte Atom seine Energie in Form von Licht wieder abgibt, und dass die Wellenlänge des Lichts der von Max Planck und Albert Einstein aufgestellten Gleichung für Photonen genügt, wenn deren Energie genau die Anregungsenergie des Atoms ist. Beide Experimente zusammen bildeten eine starke Stütze des Bohrschen Atommodells. Franck und Hertz erhielten dafür 1925 den Nobelpreis für Physik. Das Bohrsche Atommodell trug erheblich zur Entwicklung der Quantenphysik bei, bis es im Jahr 1925 von der Quantenmechanik abgelöst wurde.
In dem Franck-Hertz-Versuch werden Elektronen durch ein elektrisches Feld beschleunigt, während sie ein Gas aus Quecksilberatomen durchqueren. Am Ende der Flugstrecke wird gemessen, wie viel kinetische Energie sie haben. Bis zu einer Beschleunigungsspannung von 4,9 V, also einer Energie von 4,9 eV, stoßen die Elektronen mit den Atomen nur wie bei einem elastischen Stoß zusammen, wobei sie aufgrund des großen Massenunterschieds praktisch keine Energie übertragen. Im Energiebereich oberhalb dieser Schwelle geben sie beim Stoß 4,9 eV Energie an das Atom ab. Im Anschlussversuch wiesen Franck und Hertz dann nach, dass die Atome, die diese Energie aufgenommen hatten, Licht aussenden, dessen Photonen gerade die Energie 4,9 eV besitzen. Zusammen zeigen die Versuche, dass in Atomen Energieaufnahme und -abgabe nur in Form diskreter Energiepakete (Quanten) erfolgt.
Der Franck-Hertz-Versuch gehört zu den eindrucksvollsten Belegen der Quantenphysik und ist gleichzeitig relativ einfach durchzuführen. Er ist deshalb ein beliebter Demonstrations- und Praktikumsversuch in der Physikausbildung.