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Von Martin Koch
28.07.2012

Forscher im Wandel der Systeme

Vor 125 Jahren wurde der deutsche Physiker und Nobelpreisträger Gustav Hertz geboren

Für gewöhnlich stellt man sich den physikalischen Erkenntnisprozess so vor, dass zuerst eine Theorie entwickelt und diese anschließend im Experiment bestätigt wird. Doch in der Praxis liegen die Dinge häufig komplizierter, wie das Beispiel des bekannten Franck-Hertz-Versuchs zeigt, aus dem hervorgeht, dass die Elektronen im Atom nur diskrete Energieniveaus besetzen können.

Das Verdienst, solche Energieniveaus erstmals postuliert zu haben, gebührt dem dänischen Physiker Niels Bohr, dessen 1913 veröffentlichtes Atommodell vor allem dazu diente, die Lage der Spektrallinien des Wasserstoffatoms zu erklären. Und tatsächlich dauerte es nur ein Jahr, bis die deutschen Physiker James Franck und Gustav Hertz über ein von ihnen durchgeführtes Experiment berichteten, das Bohrs Postulat de facto bestätigte. In einer mit Quecksilberdampf gefüllten Röhre hatten Franck und Hertz Elektronen beschleunigt, die auf ihrem Weg zur Anode mit zahlreichen Quecksilberatomen kollidierten. Dabei zeigte sich, dass die Atome beim Zusammenstoß nicht jede beliebige Energiemenge aufnehmen konnten. Erst bei einem Energiebetrag von 4,9 Elektronenvolt (eV) wurden die Quecksilberatome durch Elektronen angeregt, woraufhin es zu einem deutlichen Abfall des Stromflusses in der Röhre kam.

Allerdings gingen Franck und Hertz zunächst fälschlich davon aus, dass sie die Quecksilberatome ionisiert, also ein Elektron aus deren Hülle herausgeschlagen hätten. Ohnehin verfolgten sie zu keiner Zeit das Ziel, die Bohrschen Quantenpostulate zu bestätigen. Ihr Experiment diente lediglich dem Studium des Stoßverhaltens von Elektronen. Rückblickend stellte Franck dazu fest: »In Deutschland wurde Bohrs Arbeit im ersten Jahr nach ihrem Erscheinen nicht allzu viel gelesen.« Und deshalb seien Hertz und er anfänglich unfähig gewesen, »die große Bedeutung dieser Arbeit zu verstehen«.

Am Ende zählt jedoch nicht der Anlass für ein Experiment, sondern dessen Resultat, das sich im Fall des Franck-Hertz-Versuchs nur mit Hilfe des Bohrschen Atommodells sinnvoll deuten ließ. Danach führt ein Elektron, das eine Energie von 4,9 eV besitzt, mit dem Quecksilberatom einen unelastischen Stoß aus. Durch die kinetische Energie, die hierbei übertragen wird, springt ein Hüllenelektron des Quecksilberatoms auf ein höheres Energieniveau. Weil dieses aber instabil ist, fällt das Elektron unter Emission von Strahlung wieder auf das alte Niveau zurück - genau wie Bohr es beschrieben hatte, der 1922 »für seine Verdienste um die Erforschung der Struktur der Atome« den Physiknobelpreis erhielt. Drei Jahre später wurden auch Franck und Hertz mit der begehrten Auszeichnung bedacht.

Vor 125 Jahren, am 22. Juli 1887, wurde Gustav Hertz in Hamburg als Sohn eines Anwalts geboren. Wie sein Onkel Heinrich Hertz, der Entdecker der elektromagnetischen Wellen, besuchte er die Gelehrtenschule des Johanneums in Hamburg und begann anschließend ein Studium der Physik, welches er 1911 in Berlin mit der Dissertation abschloss. Danach war er als Assistent am Physikalischen Institut der Berliner Universität tätig, wo er zusammen mit Franck die erwähnten Elektronenstoßversuche durch᠆führte.

Am Ersten Weltkrieg nahm Hertz als Offizier teil und gehörte der von Fritz Haber geleiteten Spezialtruppe für den Gaskampf an. 1915 wurde er bei einem Gasangriff auf russische Truppen, bei dem plötzlich der Wind drehte, selbst schwer verwundet und nach einem längeren Lazarettaufenthalt aus der Armee entlassen. In den frühen 20er Jahren arbeitete Hertz als Industriephysiker bei den Philips Glühlampenfabriken in Eindhoven. Danach lehrte er als Physikprofessor an der Universität Halle und ab 1927 an der Technischen Hochschule in Berlin-Charlottenburg, wo er zudem ein neues physikalisches Institut aufbaute.

Da sein Großvater jüdischer Abstammung war, wurde Hertz 1935 die Prüfungsberechtigung entzogen. Er legte daraufhin sein Lehramt nieder und ging erneut in die Industrie. Bei der Berliner Firma Siemens & Halske leitete er ein Forschungslabor, in dem er sich intensiv mit der Isotopentrennung durch Diffusion beschäftigte, einem Verfahren, das sich später als bedeutsam für die Entwicklung der Uranbombe erweisen sollte. Und so wurde Hertz 1945 zusammen mit Manfred von Ardenne, Max Steenbeck und anderen deutschen Spezialisten von der Roten Armee in die UdSSR gebracht. In Suchumi am Schwarzen Meer stellte er sein physikalisches Know-how in den Dienst des sowjetischen Atombombenprojekts und arbeitete erfolgreich an der großtechnischen Umsetzung seines Diffusionsverfahrens zur Anreicherung des Uran-Isotops 235. Dafür erhielt er 1951 den Stalinpreis der UdSSR.

Drei Jahre später durfte Hertz nach Deutschland zurückkehren. Er wählte als neue Heimat die DDR und war hier maßgeblich an den Vorbereitungen zum Wiedereinstieg in die Kernforschung beteiligt. Denn Politiker wie Wissenschaftler hegten in der DDR die Hoffnung, dass man die Energieprobleme der Menschheit mithilfe der Atomkraft langfristig und relativ gefahrlos würde lösen können. Das mag heute naiv erscheinen, doch dieser Optimismus war damals weltweit verbreitet. Ab 1954 leitete Hertz das Physikalische Institut der Universität Leipzig und verfasste ein dreibändiges Standardwerk zur Kernphysik, dessen erster Band 1958 erschien. Nach seiner Emeritierung siedelte der einzige Nobelpreisträger der DDR nach Ost-Berlin über, wo er am 30. Oktober 1975 starb. Seine letzte Ruhestätte fand Hertz auf dem Hamburger Friedhof Ohlsdorf in der Grabanlage seiner Familie, in der zuvor auch sein berühmter Onkel Heinrich Hertz bestattet worden war.

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