Gustav Hertz (1968) - Memories of James Franck and the Electron Scattering Experiments (German Presentation)

Gustav Hertz participated in five of the Lindau Nobel Laureate Meetings and this is the last one. His earlier lectures had all been concerned with his more recent research interest in nuclear isotopes, but for this lecture he had chosen the story behind the 1925 Nobel Prize that was awarded to him and James Franck in 1926

Ladies and gentlemen, First of all, I don’t know if you can hear anything. There is a switch here and none of the experimentalists present was able to tell me whether it should be switched to the right or to the left. Can you hear anything? On the red button. There it is. So I am hoping that you can hear something. Now, Herr Weisedel was kind enough to say that I have been here often. This is the fifth time. I have already had many opportunities to speak here and it is a special pleasure for me to be able to do that once more today. The first times that I was here it was especially stimulating to again meet many old friends of my generation, some of whom I had not seen for many decades. Unfortunately our generation has in the meantime shrunk more and more, and I myself unfortunately And since this year Herr Hahn and Herr Born were unable to come, to the regret of all of us, I am in the remarkable position of being the oldest of the Nobel Prize winners present. Consequently, I am of course in no position to report on new research, but must rather look back at the past and I would like to use the opportunity to keep alive the memory of my dear friend Franck, who we still could see in our circle here six years ago, by talking about our old experiments together. But when Herr Weisedel just now referred to Herr Franck as my employee, the matter is really the other way around. In those days I was - of course working together is naturally something mutual, but Franck was originally the elder; I was a young doctoral candidate when I had the great luck to meet him and to be invited by him to work with him. Perhaps I may show you a photograph of him which I myself managed to take a few weeks before his death. It is however rather hard to see. That is now the old Franck as he was shortly before his death. When we did our experiments he was 30 and I was 25. Now it is really extremely difficult to think oneself back into those days. And if I want to report to you about the experiments, I will tell a very simple story. And I am not doing it to tell you what we did, because it is extremely simple and primitive seen from the present, and the interpretation is clear to everybody today, but contrariwise to show how difficult it was to recognize the facts of the matter and in particular the mistakes we made then which, as we can see, were numerous. This is what I want to go into here. Naturally, the whole situation was completely different then. A physicist mainly worked with his hands. I mean also with the head a bit, but most of the day it was real manual work. The apparatus had to be stuck together. I mean that certain pieces of apparatus were built correctly by mechanics, but in our area sealing wax and mercury were the main things, and you had to know how to handle them. And when I think back to the early days in the Physics Institute on the banks of the Reichstag, then I envisage Franck the way he stood by the glass bulbs, this cobbled-together apparatus. He stood on one leg, and with the other leg he trod on a bellows for this torch flame. In his right hand he had the flame, in his left hand he had a piece of glass pipe, and in his mouth a tube for blowing. And that is how the apparatus was put together. And it was really the case that a good measure of manual skill was required there and a large part of the time was really occupied with manual work and also with direct observation. One saw directly, one saw the spectral lines in a spectroscope or one saw the appearance of the gas discharge. One measured curves point by point and experienced it much more directly, in my view, than is the case today. Insofar, I am now in that age where one of course finds everything from former times I don’t think it would be so much fun today if I just worked on one project, and something would be built and afterwards something comes out of some computer or other, and then I can have a look at it. But of course this development is unavoidable and even necessary, because direct subjective observation also involves direct subjective errors. Now, I don’t want to say any more about these things, only to point out that the attitude to the problems is really also different, and that today one often sees the questions of these experiments quite wrongly posed. The result of the experiments was that one could really measure the energy condition of the atoms as quantities of energy. But that was by no means the intention. When we began with the experiments, Bohr’s theory did not exist and even we ourselves, as I will show later, did not understand what was involved at all. The starting point was the theory of gas discharges. Franck was a pupil of Warburg, in the institute a lot of work was done in those days on gas discharges, but also Wehnelt whose name is also still well known. And the matter referred directly to a theory of Townsend on disruptive electrical discharges. Franck was a man possessed of very unusual degree of the gift of physical intuition, if one may call it so. Meaning that he grasped the relationships, simply from the enormous intensity which he applied to problems; everything he knew and which he might bring into relation with an object, he connected together unconsciously and came to a conclusion. He used to say "my feeling is that that must be like this and cannot be like that". And there he was usually right. And he had this gift to a pronounced degree and he got excited about particular ideas which were built into Townsend’s theory and which he thought were wrong. Now I hope you will allow me to present Townsend’s theory briefly. I will not go into any detail. The idea was simply this: One knew already about the process of impact ionization, that starts with the multiplication of the electrons and that the discharge mechanism then builds up further. And Townsend had tried to construct a quantitative theory and also did it. And that was an unusually significant achievement by him that he did that. But he had introduced into the assumptions, as one so often does, simplifying assumptions, merely in order to be able to make calculations. Perhaps I can explain that a bit and hope that I can still be heard when I am now here. The quantity that interested Townsend was… We let an electron run into a field ... So, under the influence of a field strength the electrons should run into a gas and the quantity (inaudible 08:26), the quantity alpha. That simplifies the number of electrons which are newly produced when an electron moves a distance of, let us say, 1 cm. And he made a picture of this for himself, so that he said that ionization, meaning the removal of an electron from an atom, occurs when the energy of the impacting electron exceeds the work function, and he characterized this with the ionization voltage, so that was the work function in electron volts as we say today. So if the energy of the electron measured in electron volts is higher than the ionization voltage, meaning if the potential difference that the electron has traversed is greater, then ionization should occur. If that is not the case, then it does not. And now in relation to the - I can try to speak a bit louder - Now of course he had to make assumptions about the collisions. He imagined it in this way, that gas, the gas molecules; in those days they were still balls, ... So he introduced the terms of the kinetic gas theory and in particular the term for the mean path length of the electrons. And then he used these two quantities for the derivation of the theory of the quantity alpha. And now he made the following assumption that in every collision between an electron and a molecule the electron loses the whole of its energy. And that is natural, it was unlikely from the very beginning and that was exactly the point which was later shown by our investigations to be false, and which Franck had got excited about from the start. The reason was naturally this: When the electron loses energy each time, then it starts on a new path and then the theory is extremely simple. There I simply have to observe the various successive free paths of the electron. They are sometimes shorter and sometimes longer. And I only need to say that ionization occurs if the path is long enough for the electron to gain the energy on this path. So the length of the individual path must be greater than U divided by the electric field strength. And that is, of course, very simple. The kinetic theory of gases supplies the law directly. The number of paths, for one centimetre I have an average of 1 over lambda paths, and of these a percentage equal to e to the power of minus x * lambda has the property of being greater than x. And by replacing x with this quantity etc. one arrives at the theory. So you can see that Townsend naturally chose these assumptions to allow a simple calculation. Otherwise it is an enormously complicated problem. And that is a legitimate method. In this way he actually represented all the decisive aspects of the breakdown correctly. Still, one can see here once more that if a theory represents reality correctly, it does not need to be correct in every detail. And now comes the essential point. By making measurements – perhaps we can see the next slide now – in order to measure this quantity alpha. This is an image from Townsend’s old book. You can also tell that it is old because the wires here are still braided. Today they are straight lines. That is an apparatus in a vacuum. Here he has a plate that serves as photoelectron. From below ultraviolet light is shone here through a semi-transparent plate. Then electrons are emitted here. And now a voltage is applied between this plate and this plate. Here you can see, by taking different numbers of batteries from a large number, then the separation is changed and the field strength kept constant and in this way he can determine the quantity alpha. Then the number of electrons is, of course, simply n = n(0) * e to the power of alpha * x, that increases exponentially. And by taking the quantity alpha that he has now determined and applying his theory, which I sketched earlier, to calculate the quantities, namely U and lambda, he now determines the ionization voltage of the relevant gases and the average path length of the electrons. And it is interesting to see what came from this – thank you, I don’t need that image any more – that for the noble gases, for which one knows that they have low breakdown voltages, particularly low ionization voltages were found, for the others they were greater. Now, Franck said, that cannot be right. Franck had worked with very pure noble gases. He said with the noble gases it is most definitely not like this. He had in fact not done such experiments, but it was clear to him by analogy with other things, and he said we should now have a go at directly determining these two quantities U and lambda, which Townsend had calculated there in this way from his measurements, in order to check whether it is correct or not. And you can see that we arrive here at our experiments. The starting point therefore is purely a question of gas discharge. The aim, the result, later became a statement about atomic physics. Now, I think that in consideration of the Bavarian breakfast I don’t want to go into too much detail for the performance of the measurements, since they are not really so terribly important. I would like firstly to say something about the measurements of the ionization voltage which we started with. There was already a method provided by Lenard. Perhaps I could have the next image. This is the apparatus which we used there. The improvement compared with other measurements of this kind was that we strove for the first time to produce very clean conditions. So what we then called a vacuum would be seen as a considerable pressure in modern terms, and what we called a metal surface would be seen today as a filthy mess. A metal surface with oxides and fatty remains and I don’t know what else. And if we now wanted to make clean measurements for the various gases, then the conditions had at least to be as reproducible as possible. And that is the reason for building this apparatus. Everything was made of platinum and the gas was boiled in nitric acid. The process of baking out was not known in those days. I personally first came across it later at the Philips bulb factories and it is, of course, absolutely necessary today. Now, the principle is very simple. Here in the middle is an incandescent wire which emits electrons - it was also made of platinum then – and the electrons are accelerated here, now enter another chamber and this attracting plate is brought to such a voltage that the electrons are slowed down again there, so they cannot reach it. If the electrons now produce ions here in this way, then the ions will move there and we have a positive current here. You can see up here the electrometer; we measured currents in those days with electrometers. So that was a very cumbersome procedure with the old Dolezalek electrometer, measuring the charge. Now, this method, it has one error which we did not see back then, which we overlooked as an error. The one, that if light is produced here by electron collisions, in particular ultraviolet light, that this ultraviolet light produces a photo effect here and also produces a positive charge. This current may be weak, but precisely because we used such a sensitive current-measuring instrument we were actually measuring this photo effect here and not the ionization voltage. The next picture please. This is the one main error, which continued to the end of our work together. Now, you can see that we obtained really sharply-defined curves. Here below is the accelerating voltage, and this is the current on the pick-up electrode, and from this we derived the ionization voltage. The next picture please. No, wait a moment. Here oxygen is around 8 and nitrogen is around 7. And perhaps I could have the next image. And you can see that argon is now over 10 and helium is even 20. And Franck was of course very content with this. He said, aha, you can see that Townsend was wrong. It is exactly the noble gases which have the greatest ionization voltage. Now the fact that what we measured was in reality not the ionization voltage at all, but, as we say today, the exciting voltage, that caused no harm in reality, because it is just a matter of the order and the magnitudes are always in the same order. But it was of course a mistake, which one should perhaps not take so seriously, because back then we simply did not know about this phenomenon. So that was the ionization voltage and one saw that the ionization voltages, the actual values, are in contradiction with Townsend's theory. So then it could then be the path lengths, the mean path lengths. The next picture please. And there we made some more measurements of the mean path lengths. Simply here with an apparatus. Here is a metal plate, here a grid, a filament. Electrons are fired into this chamber and are then received by an attractor with a reversed field where one only measures those which carried on further unchanged, unchanged in direction and speed. Then the number of electrons which arrive here is an exponential function, similar to the one above, and we can derive the mean path length from this. And from this also nothing special arose, and it is again interesting from today’s viewpoint what we wrote there. What it said was that we obtained the values predicted by the kinetic theory of gases, that is 4 * root 2 * the mean path length of the gas molecules. That was supposed to be the mean path length of the electrons. And you can see that this is once again this quite naive idea, because one mainly worked with elastic spheres in the gas theory of those days, and we were after all young people and relatively harmless, so we said: Right, if two gas molecules are going to collide, the distance between them must be 2r. It must be less than 2r if they are going to fly past each other. An electron has a diameter which is practically 0. So if the separation here is r, then the path length is 4 times greater. And root 2 comes from the fact that the gas molecules are both moving, whereas with the electrons the single electron is much faster, so that the molecule can be taken to be at rest. You can see that when one looks at it today it is all relatively harmless. And if we had measured everything exactly then we would have had to find all sorts of other things. But it was later that Ramsauer found the Ramsauer Effect. In reality it is, the process of the scattering of an electron with an atom, quite different from the collision of a hollow ball with a billiard ball, as we roughly represented it. But in those days one worked with suchlike primitive ideas and we still made headway. Now particular things remain there, particular errors are contained in it. Now, the result was that the path length was also normal, that is in the way we understood it, and as a result we had to find out how it really was in reality. Townsend’s assumption is wrong. What happens in reality? Now, I want to cover the next experiments rather briefly, just to run through the pictures, please. We already know that more or less. Perhaps we can move on to the next one? This is an experiment mainly to see whether gas molecules are reflected. This here is an electron wave. The electrons are injected into the space through this plate which was covered in soot to stop them being reflected. With this we established how many electrons came out of there. Then it was turned to the side and then measured, what arrives here, and there it was found that the electrons were reflected. And one could more or less determine that the energy loss was very low with noble gases. With other gases a certain energy loss was present. The evaluation of this measurement was difficult, of course, because the electrons are either parallel, or if they are fully undirected one can draw no conclusions at all about the speed distribution from such reverse voltage curves. Here it is a sort of middle condition. It was initially impossible to make any definite statements. Now, the important conclusion, especially with reference to gas discharge, was modern. If the electrons do not lose all their energy in each collision, they can obtain the energy they need for ionization from a whole series of collisions. They can collide many times, move on a zigzag path among the molecules and still keep gaining energy. And to test this we now performed a further experiment - the next slide please. That is another similar apparatus. Incidentally, I would like to point out the braided wires. Here, it has a purpose because this separation was changed. This hung on a chain. The chain went through a U-pipe and was then wound on a grease-coated pin. The U-pipe was in liquid air in order to keep the grease vapours away. And here a very simple experiment. A homogeneous field. The field was held constant. So if the separation was increased – no, excuse me, not with this experiment. In this one, the voltage was held constant. The separation was altered. The voltage was held constant and each time the energy distribution of the electrons here was measured with reverse field curves. Maybe we could have a look at one of these curves. The next picture please. You see these curves up there, these are the curves that one gets there. So they are not very pronounced. They go up to this point. That is connected with the fact that the reverse field measures only one component of the velocity, the component very roughly in the direction of the field, and most electrons hit at a large angle. We then distinguished these curves graphically with a result something like this. Here at the top you can see, that was helium – two curves. One time a particular separation, accelerated with 18 volts. Then the separation was increased by 13 path lengths and this yielded practically the same curve again. That shows that helium could collect the energy from very many collisions. Despite the many collisions, the energy of the electrons corresponded to the voltage applied. It is considerably different with oxygen. There energy losses are present. We don’t want to talk about that now. And here below are a few differentiated groups which essentially only show us the fact that electrons in noble gases can collect energy from many free paths. And we now concluded from this, we knew that the ionization voltage, when the electrons have reached the ionization voltage, then ionization appears. Then they lose all the energy. But before that, none at all. And so we said: Good, in future things will be much easier. We don’t need ionization to measure the ionization voltage, which is difficult, but we simply measure the smallest quantity of energy which the electron can lose. And then we initially changed to metal vapours, because metal vapours are also monatomic like the noble gases, and we expected similar effects and then did the experiments with mercury vapour. The next picture please. Now the apparatus is here very simple. It is essentially the same as what we had before. Only this one is cylindrical. Simply here again for reasons of cleanliness. Again it is all made of platinum and is very carefully cleaned. Of course platinum and mercury is again a questionable combination, but at that temperature it was in any case a well-defined condition of the surfaces where the difficulty still remained that voltages could be produced between the hot filament and the remaining cold surfaces. Now, we wanted to do it like that with mercury too. That means applying some voltage here and then measuring the energy distribution here with the reverse field. And here there is a little trick, a small point that is very typical, probably for many experiments. You saw earlier, these reverse voltage curves, they were not very characteristic or differentiated etc., and drawing a clear conclusion from them was difficult. And then we had the idea of doing it differently. One should not vary this voltage, keep this voltage constant for the measurement and vary this one, but we could apply a constant reverse field here. Perhaps a weak reverse field. And then see, it always happens when the electrons arrive exactly here with the speed 0, when they have lost their energy here just in front of the wire, then they cannot make contact. If they do however have energy, then they can make contact. And then it can also happen that they e.g. in the intermediate space, they become accelerated, and reach the ionization voltage for the first time here. I keep saying ionization voltage here, I am thinking back to some extent to the times back then. In reality though it is the work voltage. Lose energy here, start again etc. And as a result that we did that, we suddenly had the possibility of making a clean measurement. The next picture please. And that is now these curves which one sometimes sees. So when we started, here is the accelerating voltage. Then it starts – it is always 0 at the beginning because of back diffusion and such things - the current increases. Here for the first time the electrons lose their energy, cannot make contact against the reverse field, the current falls. Then it increases again because the electrons gain energy again. Falls again. Increases again and falls again. And as you see, that is now such a typical example, that what I say, that one experienced earlier in physics. This point and the points were measured one after the other. And when one now measures and measures again, what comes next? Now it really falls. And how it then increases again and now reduces again for the second time. That is really an experience, one experiences that more directly than when one some completed recording chart. Or at least that’s how it affects me. So now that was this typical experiment and the result was that for mercury vapour the threshold value was a quantity of energy of 4.9 electron-volts. That the mercury atom absorbed not less than 4.9 volts from the electrons and, as one can see from these curves, also not more. Because if it were more, then the further maxima would be smeared. Now the question is, what we concluded from this. Now we come to exactly what I mentioned earlier, the interesting errors. First of all, at that time there was the quantum theory, various experiments had already been made to relate the ionization voltage as a typical quantity of energy, as a quantity of energy typical for the atoms, to relate it to some frequency or other. And of course it was a matter of seeing what frequency one obtained from the quantities h x Ny = U x E where U is the ionization voltage. And there the most remarkable thing happened, that we obtained for the frequency now the frequency of the 2536 angstrom mercury resonance line. And that was now a highly remarkable fact, since this frequency was a highly characteristic frequency for the mercury atom. According to Hood’s experiments, that is the resonance line. In relation to radiation of this frequency, mercury atoms behave exactly like electric dipoles, electric oscillators in terms of the classical theory. All the energy that they absorb is scattered with the same frequency. In every respect the same. And our conclusion was that: We have here a typical case. We have an oscillator of this frequency and the oscillator takes no other quanta from the electrons than those with the value h * Ny. And we saw that as confirmation of Planck’s theory. We could also determine the h very precisely because we were now able to measure the separation of two maxima. There is always the difficulty with all such experiments that the true energy of the electron does not correspond to the voltage applied, because Volta potential differences still play a role. They are here completely neutralized. Now, that is the picture that we made from it for ourselves. We also readily drew another conclusion: If that is the case, then – the next picture please – mercury vapour, excited by electrons of this energy, must emit this line and no other. And there we also provided a few primitive pieces of evidence. That is a quartz chamber, the mercury is put on the filament as an electrode, and is simply pumped out. And we knew, because we applied a suitable voltage, that electrons of higher energies were completely absent and we got the excitation of the mercury resonance line, only that and no other spectral line of the mercury vapour. And now it is interesting to compare what we back then concluded from this with what we now know. In reality the whole thing became completely clear with Bohr's theory which appeared at about the same time, and it is quite interesting that this is often not seen today. In Herr von Laue’s book, in the little History of Physics, these experiments are described and there follows: “The interpretation was obvious”. And this is followed by the quantum theoretical interpretation. It would be correct to say “the interpretation is obvious”, but it was not obvious back then, since we had in any case not yet understood it. Well, I would like to say some more about it now. I would now like to – yes, perhaps the next picture. That is a little small. That is the nuclear diagram for mercury. And just to compare, how does it look from the point of view of Bohr’s theory? Here we have the ground state. Here is the state that leads to the mercury resonance line. And here is one which is slightly lower in energy. And which in reality, as Franck later showed, leads to the metastable condition. So, what we have determined is that electrons can transfer the quantum of energy necessary for this and so bring it into this state, where it then naturally emits the line again. But if we say that it is the smallest quantity that a mercury atom can absorb, that is in actual fact false. There is an even smaller one. And that results from, that we did not notice that, results simply from the fact that we treated it as all or nothing, either it emits energy or it does not emit energy. In reality, the probability, or as we say today, the effective cross-section for this energy transfer, is very much smaller than for that, so that under the condition of our experiment this plays practically no role, so that that here came out cleanly. So it is also rather by chance that we had just the experimental conditions where this quantum was very clearly absorbed and this particular line emitted. Maybe I should just read the summary of the last work which we see there. It says: “The results of our two studies on the collisions of electrons and mercury atoms may be summarized in the following way: than the quantity h * Ny, since Ny is that of the higher frequency corresponding to the resonance line. this energy quantum will be transferred in one of the next collisions to the electron of the frequency Ny present in the atom. An electron of the frequency Ny must be present there, and it is interpreted like this. That is also wrong. The second statement also wrong.“ Still, an important statement of fact is contained in the study. And then it goes on to say“ So now, the most interesting thing that I wanted to represent here is how extremely difficult it is to recognize such new facts when they appear quite novel, if the other ideas do not yet conform to it. The instant Bohr’s theory was there, everything became completely clear. The misfortune was, if you like, that at this moment we had to end our cooperation because the war broke out. And when we could have started again six years later, it had of course been explained from another direction. We continued to pursue our line of research and this of course provided the possibility of precisely verifying Bohr’s theory. Now, perhaps that is also a question that one can still pose. Bohr’s theory appeared in 1913, and this is 1914 after all. Why did you not see that? That is actually rather odd. But when I think back on it today, for us experimenters the most important thing in Bohr’s theory was the hydrogen atom. Bohr’s theory provided two fundamental insights in those days: That was a very fundamental matter which applied to all atoms, naturally including our mercury atoms. And the second was the special theory of the hydrogen atom, and as experimental physicists we naturally said “a theory of electrons which move in circular orbits and do not radiate, we can't take those seriously for our respectable experiments" - or something like that. One can understand that. And the fact that the Rydberg constant was calculated, the fact showed that that was right for us. But we just did not connect it with our mercury. Now, maybe I can jump to the answer which Franck himself gave to the question in our last conversation, as I mentioned shortly before his death: Then I said to him too: And then he said to me: “Yes, Hertz, we were just too dumb.”

Meine Damen und Herren, ich weiß zunächst nicht, ob man etwas hört. Hier ist ein Schalter und keiner der anwesenden Experimentatoren hat mir sagen können, ob er rechts oder links geschaltet werden muss. Hört man was? Auf den roten Knopf. Da ist er. Also hoffe ich, dass man etwas hört. Nun, Herr Weisedel war schon so freundlich zu sagen, dass ich häufig hier gewesen bin. Es ist das fünfte Mal. Ich habe auch schon mehrfach Gelegenheit gehabt, hier zu sprechen und es ist mir eine besondere Freude, das heute noch einmal tun zu können. Die ersten Male, die ich hier war, hatten ihren besonderen Reiz darin, viele alte Freunde meiner Generation hier wiederzutreffen, die ich teilweise viele Jahrzehnte nicht gesehen hatte. Leider ist unsere Generation inzwischen mehr und mehr eingeschrumpft und ich selbst bin leider auch - was heißt leider, jedenfalls lässt sich ja nichts dagegen tun - auch älter geworden. Und da nun in diesem Jahr zu unser aller Bedauern Herr Hahn und Herr Born nicht kommen konnten, bin ich sogar in der bemerkenswerten Lage, der älteste der anwesenden Nobelpreisträger zu sein. Infolgedessen bin ich natürlich auch nicht in der Lage über neue Forschung zu berichten, sondern muss lieber den Blick zurück wenden und ich möchte die Gelegenheit nutzen, zugleich das Andenken meines lieben Freundes Franck, den wir vor sechs Jahren noch hier in unserem Kreis gesehen haben, dadurch lebendig zu erhalten, dass ich über unsere alten, gemeinsamen Versuche sprach. Nur wenn Herr Weisedel eben Herrn Franck als meinen Mitarbeiter bezeichnet hat, so ist die Sache in Wirklichkeit umgekehrt. Ich war damals – also Mitarbeit ist natürlich etwas Gegenseitiges, aber Franck war ursprünglich der Ältere; ich war junger Doktorand als ich das große Glück hatte, ihn kennenzulernen und von ihm aufgefordert zu werden mit ihm zu arbeiten. Vielleicht darf ich Ihnen eine Aufnahme von ihm zeigen, welche ich selbst wenige Wochen vor seinem Tode von ihm noch gemacht habe. Es ist allerdings etwas schlecht zu sehen. Das ist nun der alte Franck, wie er kurz vorm Tode war. Als wir unsere Versuche machten, war er 30 und ich 25. Nun ist es tatsächlich heute außerordentlich schwierig, sich in die damalige Zeit zurück zu versetzen. Und wenn ich Ihnen über die Versuche berichten will, so erzähle ich da eine sehr einfache Geschichte. Und ich tue es auch nicht, um Ihnen zu sagen, was wir gemacht haben, denn es ist ja eigentlich von heute gesehen ein etwas ungeheuer einfaches und primitives und die Deutung ist heute für jeden klar, sondern im Gegenteil, um zu zeigen, wie schwierig es war, damals den richtigen Sachverhalt zu erkennen und vor allen Dingen, die Fehler, die wir damals gemacht haben und die wie Sie sehen, sehr reichlich sind, auf die möchte ich hier eingehen. Nun, die ganze Situation war natürlich damals völlig anders. Ein Physiker arbeitete im Wesentlichen mit der Hand. Ich meine, auch etwas mit dem Kopf, aber den größten Teil des Tages war es richtige Handarbeit. Die Apparate, die kleisterte man sich zusammen. Ich meine, einige Apparate wurden richtig von Mechanikern gebaut, aber auf unserem Gebiet waren Siegellack und Quecksilber so die Hauptsache und damit musste man umzugehen wissen. Und wenn ich so an die erste Zeit zurückdenke im alten Physikalischen Institut am Reichstagsufer, dann stelle ich mir so Franck vor, wie er dasteht an den Glasblasen, diese zusammengesetzte Apparatur. Auf dem einen Bein steht er, mit dem anderen Bein tritt er einen Blasebalg für diese Gebläseflamme. In der rechten Hand hat er die Flamme, in der linken Hand hat er ein Stück Glasrohr und im Mund einen Schlauch zum Blasen. Und so wird die Apparatur zusammengesetzt. Und es war tatsächlich so, dass ein Gutteil Handfertigkeit dazu gehörte und dass ein großer Teil der Zeit wirklich mit manueller Arbeit und auch mit direkter Beobachtung zugebracht wurde. Man sah direkt, man sah in einem Spektroskop die Spektrallinie oder man sah die Erscheinung der Gasentladung. Man maß Kurven Punkt für Punkt und erlebte es noch für mein Gefühl sehr viel unmittelbarer als es heute der Fall ist. Insofern, nun ich bin eben in dem Alter, wo man natürlich alles Frühere - alles nicht, aber vieles - besser findet. Ich glaube, wes würde mir heute gar nicht so viel Spaß machen, wenn ich da nur ein Projekt mache und es wird irgendetwas gebaut und nachher kommt aus irgendeinem Computer was heraus und das darf ich mir dann ansehen. Aber natürlich ist diese Entwicklung unvermeidlich und sie ist ja auch notwendig, weil die direkte subjektive Beobachtung eben auch die direkten subjektiven Fehler mit sich bringt. Nun, ich will über diese Sachen nicht weiter sprechen, nur darauf hinweisen, dass tatsächlich auch die Einstellung zu den Problemen doch anders ist und dass man heute gerade die Fragen dieser Versuche oft ganz falsch dargestellt sieht. Das Ergebnis der Versuche war, dass man die Energiezustände der Atome also wirklich als Energiegrößen messen konnte. Aber das war absolut nicht etwa die Absicht. Als wir damit anfingen, mit den Versuchen, da gab es ja keine Bohrsche Theorie und wir haben sogar selbst, wie ich nachher noch zeigen werde, das gar nicht verstanden, worum es eigentlich ging. Der Ausgangspunkt war die Theorie der Gasentladung. Franck war Schüler von Warburg, in dem Institut wurde damals viel über Gasentladung gearbeitet, aber auch Wehnelt, dessen Name ja auch noch gut bekannt ist. Und die Sache bezog sich direkt auf eine Theorie von Townsend über die Theorie des elektrischen Durchschlages. Franck war ein Mann, der in ganz ungewöhnlichem Maße die Gabe der physikalischen Intuition besaß, wenn man das so nennen will. Also dass er die Verhältnisse überblickte, einfach aus der ungeheuren Intensität, mit der er sich mit den Problemen beschäftigte; alles, was er überhaupt wusste und was er eventuell mit einem Gegenstand in Beziehung brachte, unbewusst miteinander in Beziehung setzte und da zu einer Meinung kam, er sagte gern „nach meinem Gefühl muss das so sein und kann es nicht so sein“. Und da hatte er dann meistens Recht. Und diese Gabe hatte er sehr ausgesprochen und er regte sich auf über gewisse Vorstellungen, die in der townsendschen Theorie eingebaut waren und die er für falsch hielt. Nun, ich darf da wohl kurz auf diese townsendsche Theorie eingehen. Ich will da in keinerlei Einzelheiten gehen. Die Vorstellung war einfach diese: Man wusste ja, dass der Vorgang der Stoßionisation, der durch Elektronen zunächst die Vervielfachung der Elektronen gab, und dass dann weiter der Entladungsmechanismus sich weiter aufbaute. Und Townsend hat die Theorie quantitativ aufzustellen versucht und hat es auch getan. Und war ein außerordentlich großes Verdienst von ihm, dass er das getan hat. Aber in den Annahmen hat er, wie man das so oft tut, vereinfachende Annahmen eingeführt, einfach um hier rechnen zu können. Ich darf das vielleicht kurz erläutern und ich hoffe, dass man auch noch etwas hört, wenn ich jetzt hier bin. Die Größe, die Townsend interessierte, war … Wir lassen ein Elektron in ein Feld laufen … Also, unter dem Einfluss von einer Feldstärke sollen die Elektronen in einem Gase laufen und die Größe (inaudible 08:26), die Größe alpha. Das vereinfacht die Zahl der Elektronen, welche neu erzeugt wurden, wenn ein Elektron im Felde einen Weg von sagen wir 1 cm zurücklegt. Und er machte sich dazu das Bild, dass er sagte, Ionisierung, also Ablösung eines Elektrons von einem Atom, tritt dann ein, wenn die Energie des stoßenden Elektrons die Abtrennungsarbeit überwiegt, und die charakterisiert er durch die Ionisierung, Spannung, also das wäre die Abtrennungsarbeit der Elektronvolt, wie man heute sagt. Wenn also die Energie des Elektrons in Elektrovolt gemessen größer ist als die Ionisierungsspannung, das heißt wenn die Spannung, die das Elektron durchlaufen hat, größer ist, dann soll Ionisierung auftreten. Wenn das nicht der Fall ist, dann nicht. Und nun machte er bezüglich der – Ich kann ja auch versuchen, etwas lauter zu sprechen – Nun musste er natürlich Angaben machen über die Zusammenstöße. Er stellt sich das also so vor, das Gas, die Gasmoleküle; das waren damals noch Kugeln, … Er führte also die Begriffe der kinetischen Gastheorie ein und zwar den Begriff der mittleren Weglänge der Elektronen. Und dann eben diese beiden Größen benutzte er zur Ableitung der Theorie der Größe alpha. Und nun machte er folgende Annahme, dass bei jedem Zusammenstoß zwischen einem Elektron und einem Molekül das Elektron seine ganze Energie verliert. Und das ist natürlich, von vorne herein war es unwahrscheinlich und das war der Punkt, der eben durch unsere Versuche nachher als falsch erwiesen wurde und über den Franck sich von Anfang an aufgeregt hatte. Der Grund war natürlich der: Wenn das Elektron jedes Mal die Energie verliert, dann fängt es einen neuen Weg an und dann ist die ganze Theorie außerordentlich einfach. Da habe ich einfach die verschiedenen aufeinanderfolgenden freien Wege des Elektrons zu betrachten. Die sind mal kürzer und mal länger. Und ich brauche nur zu sagen, die Ionisierung tritt dann ein, wenn der Weg so lang ist, dass auf diesem Weg das Elektron die Energie gewinnt. Also, die Länge des einzelnen Weges muss größer sein als U durch elektrische Feldstärke. Und das ist natürlich sehr einfach. Die Kinetische Gastheorie liefert dafür ohne weiteres das Gesetz. Die Zahl der Wege, auf einem Zentimeter habe ich im Durchschnitt 1 durch Lambda mal Wege, und von diesen ist ein Prozentsatz e hoch minus x durch Lambda hat die Eigenschaft größer als x zu sein. Und indem man für x dann diese Größe einsetzt usw. bekommt man die Theorie. Sie sehen also, diese Voraussetzungen von Townsend sind natürlich so gewählt, dass er eine einfache Rechnung machen kann. Es ist sonst ein ungeheuer kompliziertes Problem. Und das ist eine legitime Methode. Er hat damit alle entscheidenden Züge des Durchschlages tatsächlich richtig dargestellt. Trotzdem sieht man auch hier wieder, wenn eine Theorie die Wirklichkeit richtig darstellt, braucht sie noch nicht in allen Einzelheiten richtig zu sein. Und nun kommt der springende Punkt. Indem er - vielleicht können wir das nächste Bild einmal zeigen - Messungen machte, um diese Größe alpha zu messen. Das ist ein Bild aus dem alten Buch von Townsend. Dass es alt ist erkennt man auch daran, dass die Drähte hier noch gekringelt sind. Heute sind es gerade Linien. Das ist ein Apparat im Vakuum. Hier hat er eine Platte, die als Photoelektron dient. Von unten wird ultraviolettes Licht hier durch eine halbdurchsichtige Platte durchgeschickt. Dann werden hier Elektronen ausgelöst. Und jetzt wird zwischen dieser Platte und dieser Platte eine Spannung angelegt. Sie sehen hier, indem wir von einer langen Zahl von Batterien verschiedene Zahlen abgreifen, dann wird jetzt der Abstand verändert und die Feldstärke dabei konstant gelassen und so kann er die Größe alpha bestimmen. Denn die Zahl der Elektronen ist natürlich einfach n = n0 mal e hoch alpha mal x, das nimmt exponentiell zu. Und indem er jetzt die Größe alpha bestimmt hat und jetzt aufgrund seiner Theorie, die ich vorher angedeutet habe, die Größen berechnet, nämlich U und lambda, ermittelt er nun die Ionisierungsspannung der betreffenden Gase und die mittlere Weglänge der Elektronen. Und dabei kam nun interessanterweise heraus – Dankeschön, das Bild brauche ich nicht mehr – dass, sich für die Edelgase, von denen man ja weiß, dass sie niedere Durchschlagspannungen haben, besonders kleine Ionisierungsspannungen ergaben, für die anderen waren sie größer. Nun, Franck sagte, das kann nicht stimmen. Franck hatte mit sehr reinen Edelgasen gearbeitet. Er sagte, mit den Edelgasen ist es ganz bestimmt nicht so. Er hatte zwar solche Versuche noch nicht gemacht aber es war ihm durch Analogie mit anderen Dingen klar und sagte, wir wollen jetzt einmal versuchen, diese beiden Größen U und lambda, die Townsend da auf diese Weise aus seinen Messungen berechnet, jetzt einmal direkt zu bestimmen, um auf diese Weise zu kontrollieren, ob es richtig ist oder nicht. Und Sie sehen, jetzt kommen wir zu unseren Versuchen. Der Ausgangspunkt ist also eine reine Frage der Gasentladung. Das Ziel, das Ergebnis ist nachher eine Aussage über die Atomphysik gewesen. Nun, ich glaube mit Rücksicht auf das bayrische Frühstück will ich nicht zu sehr in Einzelheiten gehen bei der Durchführung der Messungen, denn die sind eigentlich gar nicht so furchtbar wichtig. Ich möchte zunächst etwas sagen über die Messungen der Ionisierungsspannung, mit denen wir angefangen haben. Da gab es schon eine Methode von Lenard. Vielleicht darf ich um das nächste Bild bitten. Dies ist der Apparat, den wir da benutzten. Der Fortschritt gegenüber anderen Messungen dieser Art war, dass wir uns hier zum ersten Mal bemühten, sehr saubere Verhältnisse zu schaffen. Also was man damals als Vakuum bezeichnete war für heutige Begriffe noch ein beträchtlicher Druck und was man als Metalloberfläche bezeichnete war für heutige Begriffe eine furchtbare Schmutzerei. Eine Metalloberfläche mit Oxyden und Fettresten und ich weiß nicht was alles. Und wenn wir nun saubere Messungen machen wollten für die verschiedenen Gase, dann mussten mindestens die Verhältnisse reproduzierbar sein wie möglich. Und deswegen wurde dieser Apparat gebaut. Alles war aus Platin und Gas wurde in Salpetersäure ausgekocht. Das Verfahren des Ausheizens hat man damals noch nicht gekannt. Das habe ich persönlich erst später bei den Philips Glühlampen Werken kennengelernt und das ist natürlich heute unbedingt nötig. Nun, das Prinzip ist sehr einfach. Hier in der Mitte ist ein Glühdraht, der sendet Elektronen aus – der war auch aus Platin damals - und die Elektronen werden hier beschleunigt, treten jetzt in einen anderen Raum ein und diese Aufnahmeplatte ist auf ein solches Potential gebracht, dass die Elektronen da wieder abgebremst werden, also da nicht hingelangen können. Wenn jetzt die Elektronen auf diesem Wege hier Ionen erzeugen, dann werden die Ionen dahin wandern und wir bekommen hier einen positiven Strom. Sie sehen hier oben zum Elektrometer; wir haben die Ströme damals mit Elektrometern gemessen. Das war also ein sehr umständliches Verfahren mit dem alten Dolezalek Elektrometer, die Aufladung zu messen. Nun, diese Methode, die hat einen Fehler, den wir damals nicht gesehen haben, also den wir als Fehler übersehen haben. Den, dass wenn durch die Elektronenstöße hier Licht ausgelöst wird, speziell ultraviolettes Licht, dass dies ultraviolette Licht hier einen Photoeffekt gibt und ebenfalls eine positive Aufladung bildet. Dieser Strom ist zwar klein, aber gerade weil wir so ein empfindliches Strominstrument benutzt haben, haben wir in Wirklichkeit hier diesen Photoeffekt gemessen und nicht die Ionisierungsspannung. Bitte das nächste Bild. Dies ist der eine Hauptfehler, der sich bis zum Schluss unserer gemeinsamen Arbeiten hingezogen hat. Nun, man sieht, wir bekamen nun wirklich scharf einsetzende Kurven. Hier unten ist die beschleunigende Spannung und hier ist der Strom auf die Aufnahmeelektrode und wir haben daraus die Ionisierungsspannung abgelesen. Bitte das nächste Bild. Nein warten Sie noch. Hier, Sauerstoff ist hier ungefähr 8 und Stickstoff ist ungefähr 7. Und darf ich um das nächste Bild bitten. Und Sie sehen, Argon ist jetzt über 10 und Helium ist sogar 20. Und damit war Franck natürlich sehr zufrieden. Er sagte, aha, man sieht, Townsend hat Unrecht. Gerade die Edelgase haben die größte Ionisierungsspannung. Nun, die Tatsache, dass in Wirklichkeit das, was wir gemessen haben, gar nicht die Ionisierungsspannungen waren, sondern, wie man heute sagt, die Anregungsspannung, das hat in Wirklichkeit nicht geschadet, denn es kommt ja nur auf die Reihenfolge an und die sind ja immer in derselben Reihenfolge in der Größe. Aber es war natürlich ein Fehler, den man vielleicht nicht so ernst nehmen darf, weil man damals wirklich diese Erscheinung einfach gar nicht kannte. Das war also die Ionisierungsspannung und man sah, die Ionisierungsspannungen, die wirklichen Werte, sind im Widerspruch zu der townsendschen Theorie. Nun, dann konnte es noch die Weglänge sein, die mittlere Weglänge. Bitte das nächste Bild. Und da haben wir noch einige Messungen über die mittlere Weglänge gemacht. Einfach hier mit einem Apparat. Hier ist eine Metallplatte, hier ist ein Gitter, ein Glühdraht. Elektronen werden in diesen Raum hineingeschossen und werden dann hier mit einem Auffänger wieder empfangen und zwar mit einem Gegenfeld, wo man nur diejenigen misst, welche unverändert, nach Richtung und Geschwindigkeit unverändert weiter gelaufen sind. Dann ist die Zahl der Elektronen, welche hier ankommen eine Exponentialfunktion, so ähnlich, wie das da oben stand, und wir können daraus die mittlere Weglänge ableiten. Und dabei ergab sich ebenfalls nichts Besonderes, und es ist auch wieder vom heutigen Standpunkt aus interessant, was wir da schreiben. Da steht nämlich, wir haben diejenigen Werte bekommen, welche nach der kinetischen Gastheorie zu erwarten sind, nämlich 4 mal Wurzel 2 mal der mittleren Weglänge der Gasmoleküle. Das sollte die mittlere Weglänge der Elektronen sein. Und Sie sehen, es ist wieder diese ganz naive Vorstellung, weil eben man in der Gastheorie damals hauptsächlich mit der elastischen Kugel operierte und wir eben junge Leute waren und verhältnismäßig harmlos, haben wir gesagt: Gut, damit zwei Gasmoleküle zusammenstoßen, muss der Abstand 2r sein, der sie miteinander verbindet. Es muss kleiner 2r sein, in dem sie aneinander vorbei fliegen. Ein Elektron hat einen Durchmesser, der praktisch 0 ist. Also ist der Abstand hier r, also ist die Weglänge 4 mal größer. Und Wurzel 2 kommt daher, weil die Gasmoleküle sich beide bewegen, während bei den Elektronen das einzelne Elektron außerordentlich viel schneller ist, sodass die Moleküle als hohl angenommen werden. Sie sehen, wenn man das so heute sieht, das ist alles verhältnismäßig harmlos. Und wenn man das alles genau gemessen hätte, dann hätten wir ja alles Mögliche andere finden müssen. Bloß später hat Ramsauer den Ramsauer-Effekt gefunden. In Wirklichkeit ist es, der Vorgang der Streuung eines Elektrons an einem Atom, alles andere als das Treffen einer Hohlkugel auf einen Billardball, wie wir das ungefähr dargestellt haben. Aber man arbeitete damals mit solchen primitiven Begriffen und man kam damit auch vom Fleck. Nur blieben da bestimmte Dinge, bestimmte Fehler drin erhalten. Nun, das Ergebnis war, die Weglänge ist auch normal, also in dem Begriff wie wir das auffassten, und infolge dessen muss jetzt geprüft werden, wie ist es nun in Wirklichkeit? Die townsendsche Annahme ist falsch. Was passiert in Wirklichkeit? Nun, über die nächsten Versuche will ich etwas kurz hinweggehen, nur eben die Bilder zeigen, bitte. Das kennen wir schon so einigermaßen. Vielleicht können wir mal wieder das Nächste nehmen? Dies ist ein Versuch, um zunächst zu sehen, ob Gasmoleküle reflektiert werden. Das ist hier eine Elektronenwelle. Die Elektronen werden in den Raum hinein geschickt durch diese Platte, die berußt war, damit sie nicht reflektierte. Damit stellten wir fest, wie viele Elektronen da rauskamen. Dann wurde sie zur Seite gedreht und dann wurde gemessen, was hier hin kommt und da wurde festgestellt, dass die Elektronen reflektiert werden. Und man konnte so einigermaßen auch feststellen, dass bei den Edelgasen der Energieverlust sehr klein war. Bei den anderen Gasen ein gewisser Energieverlust vorhanden war. Die Auswertung dieser Messung war natürlich schwierig, weil die Elektronen entweder parallel sind, oder wenn sie völlig ungerichtet sind, kann man keineswegs gut aus solchen Gegenspannungskurven auf die Geschwindigkeitsverteilung schließen. Hier ist es so ein Mittelzustand. Genaue Angaben waren da zunächst nicht möglich. Nun, der wichtige Schluss, speziell mit Hinsicht auf die Gasentladung war modern. Wenn die Elektronen nicht bei jedem Stoß ihre Energie ganz verlieren, können sie die Energie, die sie zur Ionisierung brauchen, auf einer ganzen Reihe von Stößen anziehen. Sie können viele Stöße machen, einen Zickzack-Weg zwischen den Molekülen zurücklegen und trotzdem immer weiter an Energie gewinnen. Und um das zu prüfen machten wir nun einen weiteren Versuch – bitte das nächste Bild. Das ist wieder so ein ähnlicher Apparat. Übrigens, ich möchte auf die gekringelten Drähte hier hinweisen. Hier hat es einen Zweck, denn dieser Abstand wurde verändert. Dieses hing an einer Kette. Die Kette ging durch ein U-Rohr hindurch und wurde dann auf einem mit Fett gewickelten Stift aufgewickelt. Das U-Rohr war in flüssiger Luft, um auf diese Weise die Fettdämpfe fern zu halten. Und hier also ein ganz einfacher Versuch. Ein homogenes Feld. Das Feld wurde konstant gehalten. Also wenn der Abstand vergrößert wurde – Nein, entschuldigen Sie, bei diesem Versuch nicht. Bei diesem wurde die Spannung konstant gehalten. Der Abstand wurde verändert. Die Spannung wurde konstant gehalten und es wurde jedes Mal die Energieverteilung der Elektronen hier durch Gegenfeldkurven gemessen. Wir können vielleicht mal so eine Kurve sehen. Bitte das nächste Bild. Sie sehen diese Kurven da oben, das sind die Kurven, die man da bekommt. Die sind also nicht sehr ausgesprochen. Sie gehen bis zu diesem Punkt. Das hängt damit zusammen, dass ja das Gegenfeld nur die eine Komponente, die Komponente sehr grob in der Feldrichtung misst der Geschwindigkeit, und die meisten Elektronen ja unter großen Winkeln auftreffen. Wir haben diese Kurven dann graphisch differenziert und dann kommt so etwas dabei heraus. Hier oben sieht man, das waren Helium – zwei Kurven. Das eine Mal ein gewisser Abstand, beschleunigt mit 18 Volt. Dann wurde der Abstand vergrößert und zwar um 13 Weglängen und da ergab sich praktisch dieselbe Kurve wieder. Das zeigt, das Helium konnte unter sehr vielen Zusammenstößen die Energie oft gesammelt werden. Die Energie der Elektronen entsprach trotz der vielen Zusammenstöße der durchlaufenden Spannung. Beim Sauerstoff ist es erheblich anders. Da sind Energieverluste vorhanden. Darüber wollen wir jetzt nicht sprechen. Und hier unten sind so ein paar differenzierte Gruppen, die uns aber im Wesentlichen nur zeigen den Tatbestand, Elektronen können in Edelgasen auf vielen freien Wegen ihre Energie gewinnen. Und wir haben nun daraus geschlossen, wir wussten, da die Ionisierungsspannung, wenn die Elektronen die Ionisierungsspannung erreicht haben, dann tritt Ionisierung ein. Dann verlieren sie die ganze Energie. Dagegen vorher gar keine. Und wir haben also gesagt: Gut, in Zukunft haben wir es sehr viel bequemer. Wir brauchen die Ionisierungsspannung nicht durch die Ionisierung messen, weil das schwierig ist, sondern wir messen einfach den kleinsten Energiebetrag, den das Elektron abgeben kann. Und wir gingen dann zunächst mal zu Metalldämpfen über, weil auch die Metalldämpfe einatomig sind, ebenso wie die Edelgase, und wir für uns entsprechendes erwarteten und machten dann die Versuche mit Quecksilberdampf. Bitte das nächste Bild. Nun der Apparat ist hier denkbar einfach. Eigentlich entspricht er dem was wir vorhin hatten. Nur ist es hier zylindrisch gedacht. Einfach hier wieder aus Sauberkeitsgründen. Das ist wieder alles Platin und ist sehr sorgfältig gereinigt. Natürlich ist Platin und Quecksilber doch wieder eine fragwürdige Zusammenstellung, aber bei der Temperatur war es immerhin ein einigermaßen Zustand der Oberflächen, wobei immer noch die Schwierigkeit blieb, dass zwischen dem heißen Draht und den übrigen kalten Flächen natürlich Volta-Spannungen bestehen konnten. Nun, mit Quecksilber wollten wir das auch so machen. Also hier irgendeine Spannung anlegen und dann hier durchs Gegenfeld die Energieverteilung messen. Und hier kommt nun so ein kleiner Trick, ein kleiner Punkt, der sehr typisch ist, wahrscheinlich für viele Versuche. Sie haben vorher gesehen, diese Gegenspannungskurven, die waren sehr wenig charakteristisch und mit Differentiationen usw., da einen sauberen Schluss draus zu ziehen war schwierig. Und da sind wir auf die Idee gekommen, man könnte es ja mal anders machen. Man soll nicht diese Spannung variieren, diese Spannung konstant lassen bei der Messung und diese variieren, sondern wir können ja mal hier ein konstantes Gegenfeld anlegen. Vielleicht ein kleines Gegenfeld. Und dann sehen, da wird immer dann, wenn die Elektronen gerade hier mit der Geschwindigkeit 0 ankommen, wenn sie gerade kurz vor dem Draht hier ihre Energie verloren haben, dann können sie nicht anlaufen. Wenn sie aber Energie haben, dann können sie anlaufen. Und dann kann es auch passieren, dass sie z.B. im Zwischenraum, sie werden beschleunigt, erreichen hier zum ersten Mal die Ionisierungsspannung. Ich sage hier immer Ionisierungsspannung, ich denke also gewissermaßen in die Zeit von damals zurück. In Wirklichkeit ist es eben die Arbeitsspannung. Verlieren hier Energie, fangen noch einmal an usw. Und dadurch, dass wir das getan haben, bekamen wir plötzlich die Möglichkeit einer ganz sauberen Messung. Bitte das nächste Bild. Und das sind jetzt diese Kurven, die man ja manchmal sieht. Wenn wir also anfingen, hier ist die beschleunigende Spannung. Dann tritt zunächst mal – zu Anfang ist es immer 0 wegen Rückdiffusion und solcher Sachen – der Strom steigt an. Hier zum ersten Mal verlieren die Elektronen ihre Energie, können nicht gegen das Gegenfeld anlaufen, der Strom sinkt ab. Dann steigt er wieder an, weil die Elektronen zum neuen ihre Energie gewinnen. Fällt wieder ab. Steigt wieder an und fällt wieder ab. Und sehen Sie, das ist nun so ein typisches Beispiel, das was ich sage, dass man früher die Physik erlebt hat. Dieser Punkt und die Punkte wurden einer nach dem anderen gemessen. Und wenn man nun misst und wieder misst, was kommt jetzt? Jetzt geht es tatsächlich runter. Und wie es dann wieder rauf geht und jetzt zum zweiten Mal wieder runter. Das ist dann wirklich ein Erlebnis, das erlebt man direkter als wenn man irgendwelche fertigen Registrierstreifen bekommt. Jedenfalls geht es mir so. Nun, das war also dieser typische Versuch und das Ergebnis war also das, dass im Quecksilberdampf eine Energiemenge von 4,9 Elektronvolt der Schwellwert war. Dass das Quecksilberatom von den Elektronen nicht weniger als 4,9 Volt abnahm und, wie man aus diesen Kurven sieht, auch nicht mehr. Denn wenn es mehr würde, dann würden die weiteren maximal verwischt sein. Nun ist die Frage, was wir daraus beschlossen haben. Jetzt kommt eigentlich eben das, was ich vorher sagte, die interessanten Irrtümer. Zunächst mal, damals gab es ja die Quantentheorie, es waren vorher schon verschiedene Versuche gemacht worden, die Ionisierungsspannung als typische Energiegröße, als für die Atome typische Energiegrößen mit irgendwelchen Frequenzen in Beziehung zu setzen. und es lag natürlich daran zu sehen, was für eine Frequenz bekommt man, wenn man jetzt die Größe h x ny = u x e, wenn U die Ionisierungsspannung ist. Und da passierte nun das Bemerkenswerte, dass wir für die Frequenz jetzt die Frequenz der Quecksilberresonanzlinie 2536 Angström bekamen. Und das war nun eine höchst merkwürdige Tatsache, denn diese Frequenz war nun eine höchst charakteristische Frequenz für das Quecksilberatom. Nach den Versuchen von Hood ist ja das die Resonanzlinie. Die Quecksilberatome verhalten sich gegenüber der Strahlung dieser Frequenz genau wie elektrische Dipole, im Sinne der klassischen Theorie, elektrische Oszillatoren. Die gesamte Energie, die sie aufnehmen, wird wieder mit der gleichen Frequenz gestreut. In jeder Beziehung dasselbe. Und unser Schluss war das: Wir haben hier einen typischen Fall. Wir haben einen Oszillator dieser Frequenz und der Oszillator nimmt von den Elektronen keine anderen Quanten auf als die Größe h mal ny. Und das sahen wir als eine Bestätigung der Planckschen Theorie an. Wir konnten auch das h sehr genau bestimmen und zwar aus dem Grunde weil wir ja den Abstand zweier Maxima messen konnten. Bei all solchen Versuchen ist immer die Schwierigkeit, dass die wahre Energie der Elektronen nicht genau der angelegten Spannung entspricht, weil immer noch Voltapotentialdifferenzen eine Rolle spielen. Die sind hier völlig ausgeschaltet. Nun, das ist also das Bild, das wir uns davon machten. Wir haben noch eine weitere Konsequenz ohne weiteres gezogen: Wenn das so ist, dann muss – bitte das nächste Bild – Quecksilberdampf, welcher von Elektronen dieser Energie liefe, muss diese Linie ausstrahlen und keine andere. Und da haben wir nun auch ein paar primitive Beweise gebracht. Das ist ein Quarzgefäß, das Quecksilber wird an den Glühdraht gesetzt als Elektrode, der wurde einfach abgepumpt. Und wir wussten ja, weil wir eine geeignete Spannung anlegten, dass Elektronen höherer Energien hier gar nicht auftreten und bekamen wirklich die Erregung der Quecksilberresonanzlinie, nur dieser und keiner anderen Spektrallinie des Quecksilberdampfes. Und nun ist interessant, das was wir damals daraus geschlossen haben zu vergleichen mit dem, was man jetzt weiß. In Wirklichkeit ist ja die ganze Sache völlig klar geworden durch die Bohrsche Theorie, die ungefähr gleichzeitig erschien und es ist ganz interessant, dass das heute oft nicht gesehen wird. In dem Buch von Herrn von Laue, in der kleinen Geschichte der Physik, da werden diese Versuche beschrieben und dann steht: „Die Deutung lag auf der Hand“. Und dann kommt die Deutung der Quantentheorie. Richtig wäre „die Deutung liegt auf der Hand“, aber sie lag damals nicht auf der Hand, weil wir es jedenfalls noch nicht kapiert hatten. Nun, ich will darüber gleich noch sprechen. Ich möchte jetzt – ja, vielleicht das nächste Bild. Das ist ein bisschen klein. Das ist das Kernschema des Quecksilbers. Um nur mal zu vergleichen, wie sieht es im Sinne der Bohrschen Theorie aus? Hier haben wir den Grundzustand. Hier ist der Zustand, der zur Quecksilberresonanzlinie führt. Und hier ist einer, der energetisch etwas niedriger liegt. Und der in Wirklichkeit, wie später Franck gezeigt hat, zu dem metastabilen Zustand führt. Also, was wir festgestellt haben ist, dass wir Elektronen, das hierzu gehörige Energiequant an das Quecksilber abgeben können und es dadurch in diesen Zustand bringen, wobei es natürlich dann die Linie wieder imitiert. Aber wenn wir sagen, es ist der kleinste Betrag den dieses Quecksilberquantum aufnehmen kann, so ist es in Wirklichkeit falsch. Es gibt ein noch kleineres. Und das liegt daran, dass wir das nicht gemerkt haben, liegt einfach daran, dass wir ganz harmlos eben mit alles oder nichts, entweder es gibt Energie ab oder gibt keine Energie ab. In Wirklichkeit ist die Wahrscheinlichkeit, oder wie man heute sagt, der Wirkungsquerschnitt für diese Energieübertragung sehr viel kleiner als für den, sodass unter den Bedingungen unseres Versuchs diese praktisch keine Rolle spielt, sodass das hier sauber heraus kam. Es ist also auch ein bisschen Zufall, dass wir gerade eine Versuchsbedingung gehabt haben, wo sehr klar dieses Quantum aufgenommen wurde und diese Linie da imitiert. Ich würde da vielleicht mal die Zusammenfassung von der letzten Arbeit vorlesen, was wir da sehen. Da steht: „Die Ergebnisse unserer beiden Arbeiten über die Zusammenstöße von Elektronen und Quecksilberatomen lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: solange ihre kinetische Energie kleiner ist als der Betrag h mal ny, und weil ny die der Resonanzlinie entsprechende höhere Frequenz ist.“ Die erste Aussage ist also falsch wie wir gesehen haben. wird bei einem der nächsten zusammenstöße dieses energiequantum an das im atom befindliche elektron der frequenz ny übertragen.“ Das war also eine ganz bestimmte Vorstellung. Wir sagten ja, die Tatsache der Resonanzlinie, die kann man gar nicht anders deuten. da muss ein Elektron der Frequenz ny vorhanden sein und das wird so gedeutet. Also auch falsch. Die zweite Aussage auch falsch. Nun, offensichtlich auch falsch. Ist also alles falsch was drin steht. Trotzdem ist natürlich ein wichtiger Tatbestand in der Arbeit enthalten. Und dann steht da noch Zu so und so viel mit einem Fehler von 2%.“ Das ist richtig, ist auch heute nach den genauesten Bestimmungen richtig geblieben. Nun also, das Interessante, was ich hier darstellen wollte, ist wie außerordentlich schwierig es ist, solche neuen Tatbestände zu erkennen, wenn sie ganz neu herantreten, wenn die sonstigen Vorstellungen noch nicht dazu passen. Im Moment, wo die Bohrsche Theorie da war, war alles restlos klar. Das Unglück war, wenn man so will, dass wir in diesem Augenblick unsere Zusammenarbeit beenden mussten, weil der Krieg ausbrach. Und als sechs Jahre später wir wieder anfangen konnten, war es natürlich inzwischen von anderer Seite geklärt. Wir haben dann jeder in unserer Linie weiter die Sache ausgearbeitet und da ergaben sich natürlich dann die Möglichkeiten der genauen Verifizierung der Bohrschen Theorie. Nun, vielleicht ist es auch noch eine Frage, die man stellen kann. Die Bohrsche Theorie ist doch 1913 erschienen und dies ist ja 1914. Warum habt ihr das nicht gesehen? Das ist tatsächlich eigentlich merkwürdig. Aber wenn ich heute daran zurück denke, so ist für uns Experimentatoren der BohrschenTheorie das Wesentliche das Wasserstoffatom gewesen. Die Bohrsche Theorie hat damals zwei grundsätzliche Erkenntnisse gebracht: Das war eine ganz grundsätzliche Sache, die sich auf alle Atome, natürlich auch auf unser Quecksilber bezog. Und das zweite war die spezielle Theorie des Wasserstoffatoms und da haben wir als Experimentalphysiker natürlich gesagt, die können wir doch für unsere anständigen Experimente nicht ernstlich in Betracht ziehen“ – so ungefähr. Das kann man schon verstehen. Und die Tatsache, dass die Rydbergkonstante berechnet wurde, die Tatsache zeigte, dass das das richtige für uns wäre. Aber mit unserem Quecksilber haben wir es eben einfach nicht in Beziehung gebracht. Nun, ich kann vielleicht damit schießen zu der Antwort, die Franck selber auf die Frage mir gegeben hat bei unserer letzten Unterhaltung, wie gesagt kurz vor seinem Tode: Da sagte ich ihm auch: Und da hat er mir gesagt:

Gustav Hertz (1968)

Memories of James Franck and the Electron Scattering Experiments (German Presentation)

Gustav Hertz (1968)

Memories of James Franck and the Electron Scattering Experiments (German Presentation)

Comment

Gustav Hertz participated in five of the Lindau Nobel Laureate Meetings and this is the last one. His earlier lectures had all been concerned with his more recent research interest in nuclear isotopes, but for this lecture he had chosen the story behind the 1925 Nobel Prize that was awarded to him and James Franck in 1926. It was not so unusual at that time, that a Nobel Prize was reserved from one year to the next. The same procedure was followed, e.g., for Max Planck and Albert Einstein. At the time of the Nobel awarded discovery made by Franck and Hertz, the 5 year younger Hertz was a PhD student with Franck in Berlin. At the time of the Lindau lecture, Franck had passed away and Hertz was 80+, but still going strong. He delivered the lecture at a sprinters speed, in a lively way with many jokes. As he told the story of the discovery of electron impact excitation of atoms, “it was mainly a task for the hands and not for the head”. With this he referred to the construction of the apparatus, which initially was planned to be used for studies of electrical discharges in gases. It was well known that a minimum electric potential was needed to get a flow of ions and electrons through the gas and this potential was identified with the ionization potential of the atoms. But when it was found that there was a stepwise increase in the electric current also below the ionisation potential, it was realized that this showed the quantized excitation of the atoms, just as predicted by the then recently published Bohr theory. In this way their “hands on” experiment became an important cornerstone for the “in heads” quantum theory and explains why their work was rewarded with a Nobel Prize!

Anders Bárány

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