Exkurs: He - Energiestufen im Termschema

Mit einem der Franck-Hertz-Anordnung sehr verwandten Versuchsaufbau lassen sich die Energiestufen in der Atomhülle des (zweiteinfachsten) Elements Helium untersuchen. Dazu lässt man beschleunigte Elektronen, wie in der Franck-Hertz-Röhre, auf He-Atome treffen, die dann durch die auftreffenden Elektronen, wenn sie hinreichend Energie haben, angeregt oder gar ionisiert werden.
Auf dieser Internetseite finden Sie die genaue Beschreibung der Idee des Versuchsaufbaus sowie seiner Durchführung mit den Messergebnissen.

Lesen Sie aufmerksam das Kapitel "Allgemeine Grundlagen" auf der o. a. Internetseite (siehe dort Seite 1).
Erläutern Sie die wichtigste Idee, die dazu führt, dass nur solche Elektronen registriert werden, die auch tatsächlich einen unelastischen Stoß ausführen konnten und somit Energie abgegeben haben.

Franck und Hertz haben selbst auch die Anregung von Helium gemessen und schreiben in einer ihrer Veröffentlichungen "Über Zusammenstöße zwischen Elektronen und den Molekülen des Quecksilberdampfes und die Ionisierungsspannung desselben" (Physikalische Blätter, Wiley Verlag, 19.02.2013, Band 23, S. 294 ff.):

"Um an einem Beispiel die neue Methode zur Messung der Ionisierungsspannung mit der alten zu vergleichen, haben wir auch in Helium Messungen angestellt. Hier liegen die Verhältnisse jedoch bei weitem nicht so günstig wie bei dem Quecksilberdampf, denn dieser hat eine niedrigere Ionisierungsspannung als alle als Verunreinigung in Frage kommenden Gase, während Helium im Gegensatz dazu die größte Ionisierungsspannung (20,5 Volt) hat. Hier werden daher alle Beimengungen bei kleineren Geschwindigkeiten der stoßenden Elektronen ionisiert, also völlig unelastische Stöße bedingen und daher eine Verwischung der Maxima hervorrufen. Trotzdem läßt sich aus solchen in Helium gemessenen Kurven die Ionisierungsspannung immer noch mit beträchtlicher Genauigkeit entnehmen. Abb. 5 zeigt eine in Helium gemessene Kurve, welche für die Ionisierungsspannung den Wert von 21 Volt ergibt, in guter Übereinstimmung mit unseren früheren Messungen, als deren Ergebnis wir 20,5 Volt angegeben haben. Wegen der Unschärfe der Maxima glauben wir dem neuen Werte keine größere Genauigkeit als dem früher bestimmten zuschreiben zu dürfen, so daß also der im Quecksilberdampf gemessene Wert als der am genauesten bekannte Wert einer Ionisierungsspannung anzusehen sein dürfte."