Franck-Hertz-Versuch

Autor: Bianca van Holt

Einleitung

Das folgende Protokoll soll dazu dienen den Schülern der Oberstufe in Grund – und Leistungskursen die Anfänge der Quantenphysik nahe zu bringen. Dazu sind die Grundlagen zum Verständnis des Franck-Hertz-Versuches notwendig.

Der Versuch ist einmal durchgeführt worden. Die verschiedenen Parameter wie z.B. Heiztemperatur und Anodenspannung sind verändert worden, um ihren Einfluss auf die Messdaten festlegen zu können.

Zur Orientierung dient:

- Grundlegendes zum Franck-Hertz-Versuch
- ein Artikulationsschema
- Resümee

1. Grundlegendes zum Franck-Hertz-Versuch

Als Voraussetzung zum Verständnis des Franck-Hertz-Versuches dient das Rutherford’sche Atommodell. In einem Kurzreferat oder einem ausführlichen Unterrichtsgespräch sollte folgendes zum Verständnis der Vorgänge im Experiment heraus gearbeitet werden. Im Atom ist fast die gesamte Masse und positive Ladung im Kern vereinigt. Der Kern hat einen Radius von ungefähr 10-15m und wird von den negativen Ladungen umkreist. Rutherford entwickelte diese Vorstellung aus den Ergebnissen seiner Streuversuche mit a-Teilchen an Goldfolie. Nach der klassischen Elektrodynamik müssten laut diesem Modell diese Atome instabil sein, da die Elektronen ununterbrochen Energie (in Form von elektromagnetischen Wellen) abstrahlen müssten und deshalb in den Kern stürzen würden. Außerdem erhält man statt einem kontinuierlichen Absorptions- und Emissionsspektrum experimentell ein Linienspektrum. Außerdem muss an dieser Stelle die Bohr-Sommerfeld-Theorie reproduziert werden.

Bohr postulierte deshalb 1911:

1) Die Elektronen können den Atomkern auf bestimmten Bahnen strahlungsfrei umkreisen.
2) Jede Bahn entspricht einer bestimmten Energiestufe und Übergänge können nur unter Aufnahme oder Abgabe diskreter Energien DE = h × n stattfinden.

Folgender Begriffe den Schülern noch mal nahe gebracht werden:

Unter einem Spektrum versteht man in der Optik die Abhängigkeit der Strahlungsintensität von der Frequenz bzw. der Wellenlänge der Strahlung. Hat ein Elektron eine bestimmte Energie zur Verfügung, so kann es bei einem Stoß mit einem Atom einen Teil seiner Energie an das Atom weitergeben.

Um die Vorgänge im Atom nachvollziehen zu können betrachtet man den Aufbau eines Atoms in einem sog. Termschema. Darin befinden sich die Elektronen mit großer (negativer) Bindungsenergie tief unten im Termschema, d.h. nahe am Kern, und leicht gebundenen Elektronen weiter außen. Man muss sich im klaren darüber sein, dass die Bindungsenergie hier mit negativem Vorzeichen belegt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Verlässt ein Elektron durch Anregung das Atom, so sagt man, es gelangt ins Kontinuum. Befindet sich ein Atom nicht im angeregten Zustand, so sagt man es ist im Grundzustand. Bei der Anregung eines Atoms muss die übertragene Energie des stoßenden Elektrons mindestens so groß sein, dass ein Elektron der inneren Schale des Atoms auf eine höhere Energiestufe gehoben werden kann. Das bedeutet, dass nicht alle Energien zur Anregung des Atoms führen, sondern ein Schwellenwert überschritten werden muss. Die Anregung geschieht dann nach dem Alles-oder- Nichts-Prinzip, wird der Schwellenwert nicht erreicht, so fällt das angeregte Elektron im Atom auf seinen ursprünglichen Platz (= der Grundzustand des Atoms) zurück und das stoßende Elektron behält seine ursprüngliche Energie. Wird jedoch ein Elektron des Atoms auf eine äußere Schale gehoben, so nennt man diesen Effekt Resonanzabsorption.

Mit einem sehr guten Kurs kann auch noch das Korrespondenzprinzip erarbeitet werden. Wichtig ist auf jeden Fall, dass man dieses im Hinterkopf behält, um den Übergang von der Quantenphysik zur Klassischen Physik erklären zu können.

Die Bohr-Sommerfeld-Theorie ist theoretisch unbefriedigend; einerseits wird die klassische Mechanik außer Kraft gesetzt – das Elektron müsste in den Kern stürzen

– andererseits wird die klassische Physik aber zur Bestimmung der diskreten Bahnen herangezogen. Diese Lücke versucht Bohr mit seinen Korrespondenzprinzip zu schließen. Dies besagt, dass sich bei hohen Quantenzahlen die klassische Theorie der Quantentheorie nähert. Dies bedeutet, dass das Verhalten eines Atoms umso mehr den Gesetzen der klassischen makroskopischen Physik annähert, je größer seine Energie gegenüber der im untersuchten Prozess auftretenden Energieänderung, d.h. um so besser, je höher das Niveau und je kleiner der Niveau- Abstand ist. Allgemein formuliert : Jede nicht-klassische Theorie muss im Grenzfall hoher Energien und kleiner Energieänderungen in die klassische Theorie übergehen.

Jeder Schüler sollte mit Hilfe eines Arbeitsblattes oder einer Versuchsanleitung den Aufbau und Ablauf des Experimentes nachvollziehen können. Historische Anmerkungen sollten nicht fehlen. Im einzelnen sollte folgendes mit aufgeführt werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. Franck-Hertz-Röhre

Der Franck-Hertz-Versuch (1913 durchgeführt) war eine experimentelle Bestätigung dieser Quantentheorie des Atoms. Der Versuchsaufbau ist folgendermaßen: In einem evakuierten Glaskolben (Franck-Hertz-Röhre) befindet sich ein Tropfen Quecksilber. Durch Erwärmen des Gefäßes auf ca. 200 °C wird ein Hg-Dampfdruck von 200 Pa erzeugt. Durch Glühemission werden aus der Kathode K Elektronen emittiert, die durch das E-Feld zwischen Kathode und dem Gitter beschleunigt werden. Zwischen Gitter und Anode liegt eine Gegenspannung von 0,5 – 2,0 V an. Gemessen wird die Beschleunigungsspannung UA und der Anodenstrom. Durch die Beschleunigung erhalten die von der Kathode ausgesandten Elektronen die kinetische Energie Ekin = ½ · m · v² = e · UA und damit auch die Geschwindigkeit