Dass Atome Energie nur in bestimmten Portionen aufnehmen, ist eine der Grundideen der Quantenphysik. Gustav Hertz, geboren am 22. Juli 1887 in Hamburg, lieferte zusammen mit James Franck einen der ersten direkten experimentellen Belege dafür. Der nach beiden benannte Franck-Hertz-Versuch gehört bis heute zum Standardprogramm in physikalischen Praktika. 1925 erhielten die beiden dafür den Nobelpreis für Physik. Hertz‘ Lebensweg führte ihn später durch die Industrieforschung, die Verfolgung im Nationalsozialismus, die Arbeit am sowjetischen Atomprogramm und schließlich in die DDR. Er starb am 30. Oktober 1975 in Ost-Berlin.
Ein berühmter Name
Gustav Ludwig Hertz war ein Neffe des Physikers Heinrich Hertz, der in den 1880er-Jahren die elektromagnetischen Wellen nachgewiesen hatte und nach dem die Einheit der Frequenz benannt ist. Gustav studierte ab 1906 in Göttingen, München und Berlin Physik und promovierte 1911 an der Berliner Universität. Dort arbeitete er anschließend als Assistent und begann die Zusammenarbeit mit dem nur wenig älteren James Franck.
Das Problem: Wie nehmen Atome Energie auf?
1913 hatte der dänische Physiker Niels Bohr ein neues Atommodell vorgeschlagen. Danach können sich Elektronen im Atom nur auf bestimmten Bahnen mit festgelegter Energie bewegen. Ein Atom kann deshalb nicht jede beliebige Energiemenge aufnehmen, sondern nur genau die Beträge, die dem Unterschied zwischen zwei solchen Zuständen entsprechen. Diese Annahme erklärte, warum leuchtende Gase nur ganz bestimmte Farben aussenden. Doch ein direkter Nachweis, dass Atome auch beim Zusammenstoß mit anderen Teilchen nur bestimmte Energieportionen annehmen, stand noch aus.
Der Versuch von 1914
Franck und Hertz untersuchten, was geschieht, wenn Elektronen durch ein mit Quecksilberdampf gefülltes Glasrohr fliegen. Die Elektronen wurden durch eine Spannung beschleunigt, die man schrittweise erhöhen konnte. Am Ende des Rohrs maßen die Forscher, wie viele Elektronen ankamen. Zunächst stieg der Strom mit der Spannung an, wie zu erwarten. Bei etwa 4,9 Volt brach er jedoch plötzlich ein, um danach wieder anzusteigen und bei etwa 9,8 Volt erneut einzubrechen. Dieses Muster wiederholte sich in regelmäßigen Abständen.
Die Erklärung: Solange die Elektronen weniger als 4,9 Elektronenvolt Energie haben, prallen sie von den Quecksilberatomen elastisch ab, ähnlich wie Billardkugeln, und verlieren kaum Energie. Erreichen sie genau diesen Betrag, können sie ihn vollständig an ein Atom abgeben, das dadurch in einen angeregten Zustand versetzt wird. Die abgebremsten Elektronen schaffen es dann nicht mehr bis zum Auffänger. Gleichzeitig beobachteten Franck und Hertz, dass der Quecksilberdampf ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von etwa 254 Nanometern aussendet. Genau diese Wellenlänge entspricht einer Energie von 4,9 Elektronenvolt. Die Atome geben die aufgenommene Portion also als Licht wieder ab.
Bemerkenswert ist, dass Franck und Hertz ihre Ergebnisse zunächst anders deuteten. Sie glaubten, die Ionisierungsenergie des Quecksilbers gemessen zu haben, also die Energie, die nötig ist, um ein Elektron ganz aus dem Atom zu lösen. Erst in den folgenden Jahren setzte sich die Deutung im Sinne von Bohrs Modell durch, und die beiden schlossen sich ihr an. Der Versuch wurde damit zu einem Schlüsselbeleg für die Quantisierung der Energie in Atomen.
Krieg und Industrie
Der Erste Weltkrieg unterbrach die Zusammenarbeit. Hertz wurde 1915 als Soldat schwer verwundet. Nach seiner Genesung kehrte er an die Universität Berlin zurück und habilitierte sich. 1920 wechselte er in das Forschungslabor des niederländischen Elektrokonzerns Philips in Eindhoven. Dort beschäftigte er sich weiter mit Gasentladungen und der Spektroskopie. 1925 wurde er Professor in Halle, 1928 an der Technischen Hochschule Berlin-Charlottenburg.
Der Nobelpreis 1925
Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften vergab den Nobelpreis für Physik des Jahres 1925 erst im Jahr 1926. Er ging an James Franck und Gustav Hertz, sinngemäß für die Entdeckung der Gesetze, die den Stoß eines Elektrons auf ein Atom beherrschen. Beide hatten das Experiment gemeinsam entwickelt und durchgeführt, die Auszeichnung wurde deshalb geteilt.
Isotopentrennung
In Berlin entwickelte Hertz Anfang der 1930er-Jahre ein Verfahren, um Isotope voneinander zu trennen, also Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Masse. Er ließ ein Gas durch eine Kette poröser Wände strömen. Leichtere Atome diffundieren ein wenig schneller als schwerere, und durch die Hintereinanderschaltung vieler Stufen, eine sogenannte Kaskade, ließ sich der Effekt vervielfachen. Auf diese Weise gelang es ihm, die Isotope des Neons fast vollständig zu trennen. Das Prinzip der Gasdiffusion wurde später in großem Maßstab angewandt, um Uran für Kernreaktoren und Atomwaffen anzureichern.
Verfolgung im Nationalsozialismus
Nach der Machtübernahme der Nationalsozialisten galt Hertz wegen eines jüdischen Großvaters als nicht arisch. Als Kriegsteilnehmer durfte er zunächst bleiben, verlor aber 1935 seine Prüfungsberechtigung und trat daraufhin von seiner Professur zurück. Er wechselte in die Industrie und leitete ein Forschungslabor bei Siemens in Berlin. Dort konnte er weiter forschen und überstand den Krieg. Sein Kollege James Franck hatte Deutschland bereits 1933 aus Protest gegen die Entlassung jüdischer Wissenschaftler verlassen.
In der Sowjetunion
1945 ging Hertz mit einigen Mitarbeitern in die Sowjetunion. Ob dies ganz freiwillig geschah, wird unterschiedlich beurteilt; sicher ist, dass die sowjetische Führung gezielt deutsche Fachleute für ihr Atomprogramm anwarb. Hertz leitete in Suchumi am Schwarzen Meer ein Institut, das sich mit der Trennung von Uranisotopen befasste. Seine Erfahrungen mit Diffusionskaskaden trugen zur Entwicklung der sowjetischen Anreicherungstechnik bei. Er erhielt dafür den Stalinpreis.
Rückkehr in die DDR
Mitte der 1950er-Jahre kehrte Hertz nach Deutschland zurück, allerdings in die DDR. In Leipzig wurde er Professor und Direktor des Physikalischen Instituts der Universität. Er gehörte zu den prominentesten Wissenschaftlern des Landes, war Mitglied der Akademie der Wissenschaften und gab ein vielbenutztes Lehrbuch der Kernphysik heraus. Nach seiner Emeritierung 1961 lebte er in Ost-Berlin.
Familie
Sein Sohn Carl Hellmuth Hertz wurde ebenfalls Physiker. In Schweden entwickelte er in den 1950er-Jahren gemeinsam mit dem Kardiologen Inge Edler die Echokardiografie, die Ultraschalluntersuchung des Herzens. Die Familie Hertz hat damit über mehrere Generationen die Physik und die Medizin geprägt.
Warum das Experiment so wichtig war
Der Franck-Hertz-Versuch ergänzte die Spektroskopie auf entscheidende Weise. Bis dahin kannte man die bestimmten Energiestufen der Atome nur aus dem Licht, das sie aussenden oder verschlucken. Franck und Hertz zeigten, dass dieselben Stufen auch dann eine Rolle spielen, wenn Energie durch einen mechanischen Stoß übertragen wird. Damit war klar, dass die Quantisierung eine Eigenschaft der Atome selbst ist und nicht nur eine Besonderheit des Lichts. Die Methode, Atome mit Elektronen gezielter Energie zu beschießen, wurde später zu einem wichtigen Werkzeug der Atom- und Molekülphysik. Auch in Leuchtstoffröhren und Gasentladungslampen spielen Elektronenstöße, die Atome anregen, die zentrale Rolle.
Einordnung
Gustav Hertz verbindet in seiner Biografie die großen Linien der Physik des 20. Jahrhunderts: die Entstehung der Quantentheorie, die Bedeutung der Industrieforschung, die Vertreibung und Bedrängung von Wissenschaftlern im Nationalsozialismus und die Rolle der Physik im Kalten Krieg. Kritisch diskutiert wird seine Mitarbeit am sowjetischen Atomprogramm, wobei Historiker auf den begrenzten Handlungsspielraum deutscher Wissenschaftler in der unmittelbaren Nachkriegszeit hinweisen. Wenn Sie heute ein Physikpraktikum besuchen und eine Röhre mit Quecksilber- oder Neondampf sehen, deren Strom bei bestimmten Spannungen einbricht, erleben Sie das Experiment, das Gustav Hertz und James Franck berühmt gemacht hat.
Stand: 29.10.2026