1. Welt
  2. Themen
  3. #69

Themen: Franck-Hertz-Versuch

Was ist der Franck-Hertz-Versuch?

Franck-Hertz-Versuch - ist eine Methode, bei der durch Elektronenstoßionisation (inelastische Stöße), Gasatome angeregt werden, um nachzuweisen, dass die Absorption und Emission von Energie gequantelt passiert.

Für Franck-Hertz-Versuch brauchst Du:

Dann musst Du folgende Spannungen beim Franck-Hertz-Versuch erzeugen:

Mit dem Franck-Hertz-Versuch willst Du nachweisen, dass die im Glasbkolben enthaltenen Gasatome nur mit diskreten und nicht mit beliebigen Energien angeregt werden können.

Was passiert beim Franck-Hertz-Versuch?

Franck-Hertz-Versuch Graph
Experimentelles Diagramm des Franck-Hertz-Versuchs. Dargestellt sind Spannung und Strom.

Mit der Glühkathode erzeugten Elektronen werden in Richtung des positiv geladenen Gitters beschleunigt. Da das Gitter durchlässig ist, können Elektronen zur weiter hinten liegenden (gegenüber dem Gitter leicht negativ geladenen) Auffanganode gelangen. Damit sie aber bis zur Auffananode schaffen, müssen sie zuerst eine kleine Gegenspannung (ca. 1-2 Volt) (die zwischen dem Gitter und der Auffanganode anliegt) überwinden.

Die Elektronen, die es geschafft haben an der Auffanganode anzukommen, erzeugen einen Auffängerstrom IA, dessen Stärke mit dem Amperemeter gemessen wird. Dieser elektrische Strom wird dann in einem Strom-Spannung-Diagramm aufgetragen, um die Abhängigkeit des Auffängerstroms von der Beschleunigungsspannung zu untersuchen. Ohne des etwas mehr positiv geladenen Gitters würden ALLE Elektronen an der Auffanganode ankommen, was keinen Sinn ergeben würde.

Eine andere Hürde, die die Elektronen bis zur Auffanganode überwinden müssen, sind die im Glaskolben befindlichen Gasatome. Sie stehen den Elektronen sozusagen im Weg, sodass sie miteinander stoßen können. Dabei können folgende zwei Arten der Stöße passieren:

  • Elastischer Stoß - hier prallt das Elektron am Gasatom ab und verliert dabei keine Energie. Es besitzt dann höchstwahrscheinlich genügend kinetische Energie, um die Gegenspannung bis zur Auffanganode zu überwinden.
  • Inelastischer Stoß - in diesem Fall besaß das Elektron so hohe kinetische Energie, das es in der Lage war das Gasatom anzuregen, sprich: Ein Teil seiner Energie an das Gasatom zu übertragen. Dadurch wird das Elektron langsamer und kann möglicherweise nicht mehr die Gegenspannung überwinden. Das Gasatom befindet sich in einem energetisch höheren Zustand. Nach einer kurzen Zeitspanne gibt es diese Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung (z.B. in Form von Licht) ab. Je nach Gas ist die Strahlung sichtbar oder eben nicht. Wichtig: Von Gasatomen ausgesendetes Licht tritt nur in Form von diskreten Paketen auf. Das ausgestrahlte Licht besitzt somit einheitliche Lichtfrequenz f.

Da Elektronen zwischen dem Gitter und der Glühkathode eine Beschleunigung erfahren, nimmt ihre Geschwindigkeit mit der Zeit zu und damit auch ihre kinetische Energie:

Formel: Kinetische Energie der Elektronen

\[ E_{kin} ~=~ \frac{1}{2} \, m_e \, v^2 \]
Mehr zur Formel...
  • \( m_e \): Ruhemasse des Elektrons \(9,109 * 10^{-31} \, \text{kg} \)
  • \( v \): Geschwindigkeit der an der Heizanode erzeugten Elektronen m/s

Sie hängt von der Höhe der Beschleunigungsspannung ab. Je höher sie ist, desto stärker werden Elektronen beschleunigt. Ein Elektron, mit der Elementarladung e=1,6 · 10-19As, bekommt also folgende kinetische Energie durch Beschleunigung: \[ E_{kin} ~=~ e * U_B \]

Anregungszonen

Die Stelle vor dem Gitter, wo Elektronen genügend Energie für inelastische Stöße haben, wird Anregungszone genannt. Ihr Ort ist abhängig davon, wie hoch die Beschleunigungsspannung ist. Wenn sie erhöht wird, verschiebt sich die Anregungszone weiter zur Glühkathode, weil Elektronen natürlich schneller die nötige Anregungsenergie (bei Quecksilberdampf z.B. 4,9eV) erreichen. Die Anregungszone ist auch der Ort, an dem Du mit passendem Gas, sichtbare Streifen sehen kannst. Das sind Gasatome, die die aufgenommene Energie in Form von Licht wieder abgeben.

Bei höherer Spannung und somit auch kinetischer Energie der Elektronen entsteht nicht nur eine Anregungszone! Es entstehen je nach Spannung mehrere Anregungszonen hintereinander. Ein Elektron kann schließlich nicht nur ein einziges Mal mit Gasatom zusammenstoßen, sondern je nach Energie mehrere Male, weshalb mehrere Orte mit Anregungszonen gibt.

Auswertung des Versuchs

Überträgst Du Beschleunigungsspannung und Auffängerstrom in ein Diagrammm, dann wirst Du etwas Periodisches, Wellenartiges und nach oben Steigendes Feststellen.

Bis zum ersten Maximum im Diagramm hast Du Beschleunigungsspannung erhöht, weshalb auch der Strom anwuchs. Ab einem gewissen Punkt (wo Elektronen Gasatome anregen können), bei dem das vom Gas abhängige Maximum erreicht wurde, fällt der Strom plötzlich ab und erreicht ein Minimum. Dies liegt daran, weil Elektronen ihre Energie abgegeben haben, sodass viele von denen nicht mehr in der Lage sind die Auffanganode zu erreichen und somit zum Strom beizutragen. Der Strom sinkt jedoch nicht auf Null, denn manche Elektronen finden bis zum Gitter keinen Stoßpartner und erreichen problemlos die Auffanganode.

Verdoppelst Du die Beschleunigungsspannung, dann entsteht eine weitere Anregungszone (ein weiteres Maximum), nach dem der Strom wieder abfällt. Aber er fällt nicht auf den gleichen Wert, wie nach dem ersten Maximum, sondern auf einen höheren, da bei höheren Energien im Mittel mehr Elektronen die Auffanganode erreichen können.

Das Ganze wiederholt sich immer wieder, wobei Strom-Minima immer größer werden. Bei zu hoher Beschleunigungsspannung können zu hohe Ströme entstehen und damit den Versuchsaufbau zerstören. Deshalb ist es sinnvoll einen hochohmigen Widerstand in Reihe zur Beschleunigungsspannung anzubringen, um *BUM* zu vermeiden.

Weltkarte
Community
ONLINE 2
Gäste online: 2
Denker online: 0
Wenn Du auch etwas reinschreiben möchtest, musst Du Dich einloggen!
Verwalten

Inhalt hinzufügen

Profil

Einloggen

Mitmachen?

  • Deine hinzugefügten Inhalte nachträglich bearbeiten
  • Deine noch nicht freigeschaltete Inhalte ansehen
  • Alle Bilder-Download-Optionen benutzen
  • Im Mini-Chat schreiben
  • Anderen Benutzern PM verschicken (Benutzer-Bereich noch nicht so gut ausgebaut)
Mitmachen