Aufgabenstellung:
Die Energie des ersten angeregten Zustandes von Quecksilberatomen ist über
unelastische Elektronenstöße zu bestimmen. Zu Beginn des Versuches wird die Apparatur gemäß Abbildung 1 aufgebaut.
Nun werden die Röhrenheizung, die Stromversorgung und der Messverstärker
eingeschaltet. Die Röhre wird nun ca. 20 Minuten erwärmt, bis eine Temperatur
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von 160° - 180° vorliegt. Der Anodenstrom bei diesem Versuch beträgt
etwa I » 10-10 A. Da dies ein sehr geringer Strom ist, wird dieser durch einen
Messverstärker verstärkt. Die Empfindlichkeit des Gerätes ist auf 20 ×10-9
einzustellen. Der hiermit verstärkte Strom wird mit einem Milliampermeter
angezeigt. Hierbei entsprechen 10mA ungefähr einer Stromstärke von 2 ×10-10 A.
Der gemessene Anodenstrom steht in Abhängigkeit zur der
Beschleunigungsspannung h U (s. Abb. 2). [...]
Inhaltsverzeichnis
1. Grundlagen
1.1 Das Bohrsche Atommodel
1.1.1 Das erste Postulat
1.1.2 Das zweite Postulat
1.2 Der Stoß
1.2.1 Der unelastische Stoß
1.2.2 Der elastische Stoß
2. Berechnungen
2.1 Berechnungen der ersten Anregungsenergie des HG-Atoms
2.2 Berechnung der Geschwindigkeit stoßender Elektronen
2.3 Berechnungen der Wellenlänge des emittierten Lichtes
3. Fehlerdiskussion
Zielsetzung und Themen
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Franck-Hertz-Versuch, um die Anregungsenergie von Quecksilberatomen experimentell zu bestimmen und die quantenphysikalischen Grundlagen der Energieübertragung bei Elektronenstößen zu verifizieren.
- Grundlagen des Bohrschen Atommodells und der Postulate.
- Differenzierung zwischen elastischen und unelastischen Stößen.
- Quantitative Bestimmung der ersten Anregungsenergie des Quecksilberatoms.
- Berechnung der Elektronengeschwindigkeit und der emittierten Lichtwellenlänge.
- Diskussion der Fehlerquellen bei der experimentellen Auswertung.
Auszug aus dem Buch
Der Franck-Hertz-Versuch
In einer erhitzten (ca. 160°C) mit Quecksilberdampf gefüllten Franck-Hertz-Röhre (HG-Dampfdruck von etwa 15 mbar) werden an der Kathode (s. Abb. 2) Elektronen emittiert. Durch die Beschleunigungsspannung Uh an der Anode in der Mitte der Röhre werden die Elektronen beschleunigt. Sie erhalten so eine erhöhte kinetische Energie. Die Anode ist ein positiv geladenes Gitter. Die Spannung (also auch die Elektronenbeschleunigung) kann variiert werden. Bei kleinen Spannungen der Anode werden die Elektronen so langsam beschleunigt, dass sie alle auf das geladene Gitter treffen. Erhöht man durch die Spannung die kinetische Energie der Teilchen, so gelangen einige auf die Anode S. Diese Anode hat ein geringeres negatives Potential als das Gitter. Umso höher die kinetische Energie und die Spannung werden, umso mehr Elektronen gelangen durch die Maschen des Gitters auf die Kathode S. Die kinetische Energie muss mindestens 1,5eV betragen. Der hier gemessene Strom steigt stark an. Zu beobachten ist dann, dass bei immer weiterer Erhöhung der Spannung der Strom wieder abfällt. Es muss also ein Energieverlust der Elektronen geben, da sonst der Strom weiter mit der erhöhten Spannung ansteigen müsste. Der Abfall geschieht bei 4,9V.
Der Energieverlust ist folgendermaßen zu erklären: Da in der Franck-Hertz-Röhre ein Quecksilberdampf enthalten ist, schwirren dort sehr viele HG-Atome herum. Es kann also passieren, dass die an der Kathode emittierten Elektronen mit einem solchen HG-Atom zusammentreffen. Bei kinetischen Energien, die kleiner sind als 4,9eV, steigt die Kurve weiter an. Es liegt folglich noch kein Energieverlust beim Aufeinandertreffen der HG-Atome (die rund 370 000 mal so groß sind) mit den Elektronen vor, da die kinetische Energie kleiner der Anregungsenergie der HG-Atome auf dem 1. angeregten Niveau ist.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Grundlagen: Vermittlung der theoretischen Basis durch das Bohrsche Atommodell und die physikalischen Definitionen von elastischen sowie unelastischen Stößen.
2. Berechnungen: Durchführung der quantitativen Auswertung zur Anregungsenergie, Geschwindigkeit und Wellenlänge des emittierten Lichtes basierend auf den Versuchsdaten.
3. Fehlerdiskussion: Kritische Auseinandersetzung mit messtechnischen Ungenauigkeiten und den Herausforderungen bei der Auswertung des computergestützten Diagramms.
Schlüsselwörter
Franck-Hertz-Versuch, Quecksilberatome, Anregungsenergie, Bohrsches Atommodell, unelastischer Stoß, Beschleunigungsspannung, kinetische Energie, Quantenphysik, Elektronenstoß, Wellenlänge, Photon, Planck-Konstante, Gasentladung, Energieniveau, Lichtquant.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung des Franck-Hertz-Versuchs zur Bestimmung der Anregungsenergie von Quecksilberatomen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen das Bohrsche Atommodell, die Stoßphysik sowie die quantenhafte Energieübertragung zwischen Elektronen und Atomen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist es, den Wert der ersten Anregungsenergie des Quecksilberatoms durch unelastische Elektronenstöße experimentell zu ermitteln.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein experimenteller Aufbau mit einer Franck-Hertz-Röhre genutzt, wobei Kennlinien mittels Computertechnik aufgezeichnet und anschließend mathematisch ausgewertet werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen, die mathematische Berechnung der Anregungsenergie, der Geschwindigkeit sowie der Wellenlänge des emittierten Lichts.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Franck-Hertz-Versuch, Anregungsenergie, Quantenphysik, unelastischer Stoß und Beschleunigungsspannung.
Warum fällt der Strom im Versuch bei einer Spannung von 4,9V ab?
Bei 4,9V erreichen die Elektronen kinetische Energien, die ausreichen, um bei einem unelastischen Stoß Energie an das Quecksilberatom abzugeben; die Elektronen sind danach zu langsam, um die Gegenspannung zur Anode zu überwinden.
Wie genau ist das Ergebnis im Vergleich zum Literaturwert?
Durch die computergestützte Auswertung konnten sehr präzise Ergebnisse mit Fehlerabweichungen von lediglich 0,0082% bzw. 0,0047% erzielt werden.
- Quote paper
- Dipl.-Ing. (FH) Daniel Diers (Author), 2002, Der Franck-Hertz-Versuch, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/20073
