Die zu Beginn des letzten Jahrhunderts kristallisierte sich in der Physik ein neues Teilgebiet heraus, welches bis zu jener Zeit wenig bekannt und erforscht war, die Quantenphysik.
Nach der „Geburt“ der Quantenphysik im Jahr 1900 mit der durch Max Plank veröffentlichten Theorie der Hohlraumstrahlung, sind darüber hinaus der Millikan Versuch 1909 zu nennen, sowie das Rutherfordsche Atommodell von 1911. 1913 führten James Franck und Gustav Hertz ein Experiment zum Nachweis diskreter Energiestufen in Atomen durch. Zu jenem Zeitpunkt nahmen die Experimentatoren jedoch an, dass sie die Ionisierungsenergie des Quecksilberdampfes bestimmt hätten. Was sie wirklich mit ihrem Versuch bewiesen bzw. erreicht hatten, wurde ihnen erst später bewusst.
Dieser „Franck-Hertz-Versuch“ wurde 1914 veröffentlicht und 1925 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Er galt als Nachweis bzw. Bestätigung des Bohrschen Atommodells, welches ebenfalls 1913 von Niels Bohr entwickelt wurde. [...]
Inhaltsverzeichnis
1. Grundlagen
1.1 Historischer Kontext
1.2 Theoretische Grundlagen
2. Darstellung der Franck-Hertz-Kennlinie am Oszilloskop
2.1Versuchsaufbau- und Durchführung
2.2. Auswertung
3. Aufnahme der händischen Messreiche
3.1 Versuchsdurchführung
3.2 Versuchsauswertung
4. Kennlinienaufnahme mit Cassy Lab
4.1 Versuchsaufbau- und Durchführung
4.2 Versuchsauswertungen
5. Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieses Protokolls ist die experimentelle Bestätigung der Bohrschen Postulate durch den Franck-Hertz-Versuch, wobei insbesondere die diskrete Energieabgabe von Elektronen an Quecksilberatome bei unelastischen Stößen untersucht wird. Die Forschungsfrage konzentriert sich darauf, inwieweit die gemessenen Anregungsenergien und Kennlinienverläufe mit den theoretischen Quantensprüngen bei 4,9 eV übereinstimmen.
- Durchführung und Auswertung des Franck-Hertz-Versuchs zur Bestimmung der Anregungsenergie.
- Untersuchung des Einflusses von Temperatur und Gegenspannung auf die Kennlinienqualität.
- Vergleich von manueller Messdatenerfassung mit computergestützten Verfahren (Cassy Lab).
- Interpretation der diskreten Energieübertragung und Abgrenzung zu elastischen Stößen.
- Validierung der experimentellen Ergebnisse gegenüber dem theoretischen Literaturwert.
Auszug aus dem Buch
1.2 Theoretische Grundlagen
Der Franck-Hertz-Versuch, häufig auch als Elektronenstoßversuch bezeichnet, zeigt, dass Elektronen die z.B. durch thermische Energie beschleunigt werden, bei einem Zusammenstoß mit Quecksilberatomen ihre kinetische Energie abgeben können.
Diese Energieabgabe erfolgt jedoch nur, wenn die Elektronen ein bestimmtes energetisches Niveau erreicht haben, welches ausreicht, um die Quecksilberatome anzuregen. Die Abgabe der kinetischen Energie vom freien Elektron an das Atom erfolgt mittels eines unelastischen Stoßes. Ferner erfolgt die Energieübertragung nicht kontinuierlich, sondern in periodischen Abständen. Die Energie wird sozusagen in Paketen oder Quanten übertragen. Man spricht daher von einer diskreten Energieübertragung. Der kritische Grenzwert der Energieübertragung, welcher nicht unterschritten werden darf, liegt im Falle von Quecksilberatomen bei 4,9 eV. Denn erst ab diesem Wert kann das Quecksilberatom die vom Elektron ausgesandte Energie überhaupt aufnehmen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Grundlagen: Vermittlung des historischen Kontextes zur Entdeckung der Quantenphysik und Erläuterung der theoretischen Hintergründe des Franck-Hertz-Versuchs sowie der Bohrschen Atomtheorie.
2. Darstellung der Franck-Hertz-Kennlinie am Oszilloskop: Beschreibung des Versuchsaufbaus mit Oszilloskop zur ersten qualitativen Veranschaulichung der Kennlinie bei verschiedenen Temperaturen.
3. Aufnahme der händischen Messreiche: Dokumentation der manuellen Messdatenaufnahme unter Berücksichtigung von Fehlerquellen und statistischer Auswertung der resultierenden Spannungsmaxima.
4. Kennlinienaufnahme mit Cassy Lab: Analyse der Messergebnisse aus dem computergestützten Verfahren, bei dem verschiedene Messreihen bei unterschiedlichen Temperaturen und Gegenspannungen aufgezeichnet wurden.
5. Zusammenfassung: Synthese der Versuchsergebnisse mit kritischer Reflexion über den Temperatureinfluss auf die Datenqualität und Vergleich der gewichteten Mittelwerte mit dem Literaturwert.
Schlüsselwörter
Franck-Hertz-Versuch, Quantenphysik, Quecksilberatom, Anregungsenergie, Elektronenstoß, unelastischer Stoß, diskrete Energieübertragung, Bohr-Postulate, Cassy Lab, Kennlinie, Energieniveaus, Elementarladung, Auffängerstrom, Beschleunigungsspannung, Quanten
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in diesem Protokoll grundsätzlich?
Das Protokoll dokumentiert ein physikalisches Experiment zur Bestätigung diskreter Energieniveaus in Atomen durch den klassischen Franck-Hertz-Versuch.
Was sind die zentralen Themenfelder des Versuchs?
Zentral sind die Untersuchung von Elektronenstößen mit Quecksilberdampf, die Auswertung von Strom-Spannungs-Kennlinien und die Anwendung der Quantentheorie auf experimentelle Daten.
Was ist das primäre Ziel des Experiments?
Das primäre Ziel ist die Bestimmung der Anregungsenergie von Quecksilberatomen und der Vergleich des experimentellen Wertes mit dem theoretisch erwarteten Wert von 4,9 eV.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden sowohl manuelle Messreihen mit Multimetern als auch eine automatisierte Datenerfassung mittels Cassy-Sensorik und nachfolgender statistischer Gewichtung der Messergebnisse genutzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst den theoretischen Rahmen, die detaillierte Beschreibung der Versuchsaufbauten, die tabellarische Aufarbeitung der Messwerte sowie die grafische Auswertung mittels Ausgleichsgeraden.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren das Protokoll?
Die zentralen Begriffe sind Franck-Hertz-Versuch, Anregungsenergie, Quanten, unelastischer Stoß und Elektronenkonfiguration.
Welchen Einfluss hat die Temperatur auf das Ergebnis?
Die Autoren stellen fest, dass bei zu hohen Temperaturen die Kennlinie durch eine verstärkte Dampfbildung unspezifisch wird, während bei niedrigeren Temperaturen die Messdaten für eine Analyse besser geeignet sind.
Warum ist die Wahl der Gegenspannung für das Ergebnis entscheidend?
Eine zu niedrige Gegenspannung (unter 1,5 V) führt zu einer zu hohen Rate an Elektronen, die die Auffängerelektrode erreichen, was die charakteristischen Maxima und Minima in der Kennlinie verwischt.
- Arbeit zitieren
- Michaela Meyer (Autor:in), Felipe Jacobs (Autor:in), 2013, Franck-Hertz-Versuch mit Quecksilberatomen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/262218
