Franck-Hertz-Versuch

Protokoll: Franck-Hertz-Versuch

Aufgabe:

Untersuchen Sie an der Neon-Frank-Hertz-Röhre den Zusammenhang zwischen der Beschleunigungsspannung und der Anodenstromstärke.

Theoretische Grundlagen:

1. Welche Aussagen macht das Bohrsche Atommodell und wie können diese durch den Franck-Hertz-Versuch bestätigt werden?

Bohr veröffentlichte 2 Postulate, wodurch die Emission und Absorption nur bestimmter Energiequanten erklärt werden konnte. Durch das 1. Postulat wird für das Elektron im Atom, eine Reihe von bestimmten Bahnen festgelegt.

Aussagen des 1. Bohrschen Postulats:

- die Elektronen bewegen sich auf Quantenbahnen mit der Bedingung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
- die Bewegung der Elektronen verläuft strahlungsfrei
- Atome können sich in bestimmten stationären Zuständen befinden, in denen sie keine

Energie abstrahlen, diesen stationären Zuständen entsprechen stationäre Umlaufbahnen, auf denen sich Elektronen bewegen. Ungeachtet ihrer Radialbeschleunigung emittieren sie auf diesen Umlaufbahnen keine elektromagnetische Strahlung.

Aussagen des 2. Bohrschen Postulats:

- springt ein Elektron von einer Bahn höherer Energie auf eine Bahn niederer Energie wird die Energiedifferenz in Form eines Lichtquants abgestrahlt

Durch diesen von Franck und Hertz erstmalig durchgeführten Versuch kann nachgewiesen werden, daß die Elektronen eines Atoms (hier Ne) sich nur auf diskreten Energieniveaus aufhalten. Konkreter heißt das nach dem Bohrschen Atommodell, daß sie sich nur auf Schalen bewegen können, für die gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(L = Bahndrehimpuls, m = Elektronenmasse, v = Elektronengeschwindigkeit, r = Schalenradius)

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Der Bahndrehimpuls nimmt nur ein Vielfaches von h/2_ an: (h = PLANCKsches Wirkungsquantum, n = 1,2, )

Energieübergänge sind nur zwischen diesen Energieniveaus möglich. Gleichzeitig werden dabei Photonen emittiert, mit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(ER = ,,energiereiche" Energie, EA = ,,energieärmere" Energie)

Der Franck-Hertz-Versuch ist also ein Beweis dafür, daß Elektronen auf eine höhere Bahn gehoben werden können und wenn sie wieder auf eine niedrigere Bahn fallen geben sie Licht ab. Außerdem bestätigt der Versuch, daß die Energie, die Atome aufnehmen können gequantelt ist.

2. Informieren Sie sich über den Aufbau der Neon-Frank-Hertz-Röhre! Erläutern Sie die Funktion der einzelnen Bauteile.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die von der Glühkathode K verdampften Elektronen bilden eine Raumladungswolke. Die Spannung U1 ( 0-5V ) bewirkt, daß die Elektronen mit etwa gleicher Geschwindigkeit in die Beschleunigungsstrecke zwischen G1 und G2eintreten. Durch die variable Spannung U2 ( 0- 80V) wird den Elektronen in diesem Raum eine definierte kinetische Energie verliehen. Die Spannung U3 ( 0-10V ) erzeugt ein Bremsfeld vor der Anode A: herumdifundierende Elektronen und solche, die nach einem unelastischen Stoß nur noch kleine Restenergie besitzen, werden über G2 abgesaugt. Die Strommaxima und Minima in den Meßkurven werden dadurch schärfer ausgeprägt.

Bauteile:

Glühkathode: Elektronen werden emittiert(abdampfen)

Anodengitter: durch die anliegende Spannung zwischen der Kathode und dem Anodengitter werden die Elektronen beschleunigt.

Auffängerelektrode: durch die zwischen dem Anodengitter und der Auffängerelektrode anliegende

Gegenspannung werden die Elektronen wieder abgebremst.

Steuergitter: damit die Elektronen nach dem Abdampfen die gleiche Geschwindigkeit haben, ist die Glühkathode außerdem noch von einem Steuergitter umgeben

3. Skizzieren Sie den zu erwartenden Zusammenhang IA (UB)! Wie wäre der Kurvenverlauf, wenn die Röhre nicht mit einem Gas gefüllt wäre? Erklären Sie die Unterschiede!

Zusammenhang: s. Blatt 10

Wäre die Röhre evakuiert, so ist in etwa eine Gerade zu erwarten, die nach links durch die nötige minimale kinetische Energie zur Überwindung der Gegenspannung begrenzt ist und nach oben durch den Verstärker. Die Steigung wäre ein Maß für die Durchlässigkeit der Kathode. Bei kleinen Beschleunigungsspannungen ist die Stromstärke erst mal null, da die Energie nicht ausreicht um das Bremsfeld zu überwinden.

Unterschiede:

In der evakuierten Röhre befinden sich kaum Atome, d.h. die Elektronen können ungehindert die Anode erreichen da sie nicht mit Atomen zusammenstoßen können. Darum nimmt mit Zunahme der Spannung auch die Stromstärke zu .(proportional)

Geräte und Experimentieranordnung:

Geräte:

Neon- Franck-Hertz Röhre

3 Voltmeter

1Amperemeter

diverse Kabel

Meßverstärker

3 Spannungsquellen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Experimentieranordnung:

Versuchsdurchführung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Auswertung:

Diagramme: siehe Blätter Interpretation der Graphen:

Bis zu einer Beschleunigungsspannung von ca. 12-13V steigt steigt der Anodenstrom wie bei einer Diode überproportional an. Danach fällt er jedoch wieder fast auf 0 bei einer Beschleunigungsspannung von ca. 19V, um erneut steil anzusteigen mit einem Maximum bei etwa 26V. Dieses Fallen und Steigen wiederholt sich immer wieder periodisch, wenn UB um 15V erhöht wird. Zuerst kollidieren sie mit den Atomen, geben dabei aber kaum Energie ab, noch nehmen sie welche auf (elastischer Stoß). Trotzdem finden sie sich früher oder später bei der Anode ein, solange ihre kinetische Energie zu gering ist. Erreichen sie jedoch mit der Beschleunigungsspannung eine bestimmte ''Aktivierungsenergie'' (UB=nV), so führen sie einen unelastischen Stoß mit den Ne-Atomen aus, d.h. sie geben Energie ab. Die Folge ist, daß weniger Elektronen auf der Auffängerelektrode landen, da ihre kinetische Energie nun zu gering ist, um die Gegenspannung UG zu überwinden. Einige, die nicht mit Atomen kollidiert sind, gelangen immer noch zur Anode. Eine geringe Erhöhung von UB gibt den Elektronen wieder genug überschüssige Energie, um UGzu überwinden: der Strom steigt drastisch an. Erreichen die Elektronen nun ein Vielfaches der ''Aktivierungsenergie'' (UB=2*nV), so führen sie auf ihrem Flug mehrere Stöße aus, bei denen sie jeweils die besagte Energie abgeben. Das bedeutet, daß ein großer Teil der Elektronen wieder auf der Kathode endet, da sie zuviel Energie verloren haben. Ein Teil wieder, der zuwenig Stöße vollführt hat, besitzt noch genug Energie, um zur Auffängerelektrode durchzudringen. Das Interessante ist, daß die ''Aktivierungsenergie'', als Differenz zweier benachbarter Minima berechnet werden kann, weil es sich bei diesen Benachbarten eben um das n-fache und das (n+1)-fache der Energie handelt. Genau gesagt handelt es sich dabei um die Anregungsenergie der Atome, d.h. jene Energie, die ein Außenelektron des Atoms auf das nächsthöhere Energie-Niveau bringt. In diesem Zustand verbringt es nur wenige Nanosekunden, bevor es unter Aussendung eines Lichtquants wieder auf sein normales Niveau zurückfällt.

Leuchterscheinung:

Erstmals bei 25V kann man Leuchterscheinungen beobachten, d.h. es ist eine orangefarbene ,,Schicht" zu sehen. Wenn man die Beschleunigungsspannung weiter erhöht ist bei etwa 43V eine zweite ,,Schicht" zu sehen. Wenn man die Spannung noch höher regeln würde, so wären noch mehr ,,Schichten" zu sehen. Die einzelnen Schichten bewegen sich dabei.

Erklärung:

Bei einem bestimmten Druck sieht man während einer elektrischen Entladung in Luft eine Schichtung des Kathodenglimmlichtes. Immer dann, wenn die Energie der Elektronen, die von der Kathode ausgesendet werden, für einen unelastischen Stoß ausreicht ( Maximas), werden die Gasteilchen zum Leuchten angeregt. Da die Elektronen danach wieder von neuem im Feld beschleunigt werden, wiederholt sich der Vorgang laufend, die beobachtete ,,Schichtung" entsteht. Bei dem 1. Maxima kann man keine Leuchterscheinung beobachten, da die Frequenz des ausgestrahlten Lichtes nicht im für uns sichtbaren Bereich liegt.

Fehlerbetrachtung:

Die größten Fehler treten wohl beim Ablesen der Meßwerte auf, da diese sehrgroßen Schwankungen unterliegen. Dies liegt wohl zum einen in der unregelmäßigen Gasdichte in der Röhre und zum anderen in dem Prinzip der Messung selbst verankert, da der Versuch auf "Aufprallwahrscheinlichkeiten" beruht. Die einzelnen Meßwerte sind daher mit Sicherheit nicht reproduzierbar; jedoch liegt die Aussagekraft dieses Versuches in der Auswertung der Meßreihe, die das Geheimnis um das Kontaktpotential und das Anregungspotential zu lüften vermag, wenngleich sie nicht in der Lage ist beide mit 100%iger Genauigkeit zu bestimmen, was jedoch meiner Meinung nach auch nicht beabsichtigt ist. Vielmehr geht es darum zu zeigen, daß die Elektronen nur ganz bestimmte spezifische Energiemengen aufnehmen können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten