Nach dem Bohrschen Atommodell bzw. der Quantenmechanik kann ein Atom nur bestimmte diskrete Energiebeträge absorbieren bzw. emittieren.
Diese Aussage steht im krassen Gegensatz zur klassischen Physik und bedurfte deshalb einer experimentellen Bestätigung. Diese wurde 1914 von J. Franck und G. Hertz geliefert. Deren berühmter Elektronenstreuversuch (Franck-Hertz-Versuch) soll in dieser Arbeit beleuchtet werden.
Zunächst erfährt der Leser eine Einführung, in die für das Verständnis erforderlichen wichtigsten theoretischen Grundlagen zu diesem Versuch. Anschließend wird der Versuchsaufbau und die Versuchsdurchführung dargestellt. Im Hauptteil wird das Augenmerk auf die Auswertung und die ausführliche Diskussion der Messergebnisse gerichtet. Dabei werden dem Leser viele Details und Zusammenhänge vermittelt. Mit einer Zusammenfassung der Versuchsergebnisse und einer Literaturliste schließt die Arbeit ab.
Inhaltsverzeichnis
verwendete Formelzeichen
1. Einleitung
2. Theoretische Grundlagen
2.1. Das klassische Atommodell nach Rutherford
2.2. Das Bohrsche Atommodell
2.3. Die allgemeine Gasgleichung
2.4. Die Grundgleichung der kinetischen Gastheorie
2.5. Der Dampfdruck einer Flüssigkeit
2.6. Elektrische Ladungen im homogenen elektrischen Feld
2.7. Die Energieabnahme bei elastischer Streuung
2.8. Die mittlere freie Weglänge zwischen zwei Stößen
3. Versuchsbeschreibung und Durchführung
4. Messergebnisse
5. Auswertung und Diskussion der Messergebnisse
6. Zusammenfassung
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die vorliegende Arbeit setzt sich zum Ziel, die Quantennatur der Materie durch den klassischen Franck-Hertz-Versuch experimentell zu verifizieren und die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen der Energieabsorption bei Elektronenstößen mit Quecksilberatomen zu analysieren.
- Experimentelle Untersuchung der Energieabsorption durch Elektronenstöße an Quecksilberatomen.
- Analyse der Strom-Spannungs-Kennlinie der Franck-Hertz-Röhre zur Identifikation diskreter Energieniveaus.
- Untersuchung des Einflusses der Betriebstemperatur auf das Kurvenverhalten und die Lage der Extremstellen.
- Theoretische Herleitung und Diskussion von elastischen und unelastischen Stoßprozessen.
- Interpretation der Messergebnisse im Kontext der Bohrschen Atomtheorie.
Auszug aus dem Buch
3. Versuchsbeschreibung und Durchführung
J. Franck und G. Hertz haben die Energieabsorption durch Elektronenstöße an Quecksilberatomen untersucht. Für ihre Experimente benutzten sie die nach ihnen benannte Franck-Hertz-Röhre.
Im wesentlichen gleicht die Franck-Hertz-Röhre einer Gasentladungsröhre. In der evakuierten Röhre befindet sich ein Tropfen Quecksilber. Durch einen Heizofen, in dem sich die Röhre befindet, wird in der Röhre eine Quecksilberdampfatmosphäre erzeugt. Quecksilber hat unter anderem den Vorteil, dass die Dampfdruckkurve verglichen mit anderen Flüssigkeiten relativ flach verläuft. Der Dampfdruck lässt sich somit gut über die Temperatur regulieren bzw. kontrollieren. Die Betriebstemperatur lässt sich mit einem Thermostaten einstellen und mit einem Thermometer ablesen.
An der Glühkathode K der Röhre werden Elektronen durch den glühelektrischen Effekt emittiert. Die Heizspannung betrug während des Versuches 9 V. Durch einen sog. Wehnelt-Zylinder wird der Elektronenstrahl fokussiert und anschließend durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Die Stärke dieses elektrischen Feldes wird durch die am Gitter G anliegende Beschleunigungsspannung UB charakterisiert.
Zusammenfassung der Kapitel
verwendete Formelzeichen: Dieses Kapitel listet die in der Arbeit verwendeten physikalischen Größen, Konstanten und ihre Einheiten auf.
1. Einleitung: Einführung in die Problematik des Bohrschen Atommodells und die Bedeutung des Franck-Hertz-Versuchs für die Quantenmechanik.
2. Theoretische Grundlagen: Herleitung der physikalischen Gesetze, die das Atommodell, Gastheorie und Stoßprozesse beschreiben.
3. Versuchsbeschreibung und Durchführung: Beschreibung des experimentellen Aufbaus der Franck-Hertz-Röhre und der Messmethodik.
4. Messergebnisse: Präsentation der aufgenommenen Strom-Spannungs-Kennlinien und der Maxima sowie Minima bei unterschiedlichen Temperaturen.
5. Auswertung und Diskussion der Messergebnisse: Detaillierte Analyse der Kennlinienverläufe, des Einflusses elastischer Stöße und die Interpretation der Anregungsenergie.
6. Zusammenfassung: Abschließende Betrachtung der Ergebnisse und Bestätigung der gequantelten Energieabsorption in der Atomhülle.
Schlüsselwörter
Franck-Hertz-Versuch, Quantenmechanik, Quecksilberatom, Anregungsenergie, Elektronenstoß, Strom-Spannungs-Kennlinie, Atomhülle, diskrete Energieniveaus, Stoßanregung, unelastische Stöße, Beschleunigungsspannung, Thermospannung, Energieabsorption, UV-Licht.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Bestätigung der Bohrschen Postulate bezüglich diskreter Energieniveaus in Atomen mittels des Franck-Hertz-Versuchs.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Wechselwirkung zwischen beschleunigten Elektronen und Quecksilberatomen sowie die Analyse der resultierenden Energieübertragung durch unelastische Stöße.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist es, nachzuweisen, dass Quecksilberatome nur ganz bestimmte, charakteristische Energiebeträge absorbieren können, was die Existenz diskreter Energiezustände in der Atomhülle belegt.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die Methode der Strom-Spannungs-Kennlinienaufnahme in einer temperaturkontrollierten Franck-Hertz-Röhre unter Anwendung der Gegenfeldmethode genutzt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich mit der theoretischen Modellierung, der experimentellen Durchführung sowie einer tiefgehenden Diskussion der Messergebnisse unter Berücksichtigung von systematischen Fehlern und thermischen Effekten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen zählen Franck-Hertz-Versuch, Quantenmechanik, Anregungsenergie, Elektronenstoß und diskrete Energieniveaus.
Warum wird ausgerechnet Quecksilber für diesen Versuch verwendet?
Quecksilber wird gewählt, da seine Dampfdruckkurve relativ flach verläuft und es sich somit gut über die Temperatur regulieren lässt; zudem dient es als ideales, schweres Stoßzentrum für die Elektronen.
Wie erklären die Autoren die Abweichungen der Maxima bei steigenden Temperaturen?
Die Abweichungen werden primär auf kontakt- und thermospannungsbedingte Effekte an den Materialübergängen in der Röhre zurückgeführt, die die wirksame Beschleunigungsspannung temperaturabhängig verändern.
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- Dirk Brömme (Author), Alexandra Eggemann (Author), 2003, Protokoll und Ausarbeitung zum Franck-Hertz-Versuch, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/18663
