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.