Franck-Hertz-Versuch
Der Franck-Hertz-Versuch diente zum Nachweis der diskreten Energieniveaus (Bahnenergien) der Elektronen in Atomen.
Geräte und deren Funktion:
Franck-Hertz-Röhre als Versuchsobjekt
Steuergerät der FH-Röhre liefert die Beschleunigungsspannung und die Heizspannung
2 Spannungsquellen zur Bereitstellung der Steuerspannung und der Gegenspannung
Voltmeter zur Messung der Beschleuinigungsspannung
Amperemeter zur Messung der Stromstärke über die Auffangelektrode
Versuchsaufbau:
Versuchsaufbau des Franck-Hertz-Versuchs
Schaltung der Franck-Hertz-Röhre
Versuchsdurchführung:
Zuerst wird die Heizspannung eingeschaltet, dann die Steuerspannung auf 6V und die Gegenpannung auf 5V eingestellt. Anschließend wird die Beschleuinigungsspannung langsam von 0V bis 45V hochgeregelt. Der Strom wird dabei beobachtet.
Versuchsbeobachtungen:
Die Stromstärke steigt an, wenn die Beschleunigungsspannung größer als die Gegenspannung ist. Bei etwa 19V sinkt die
Stromstärke stark ab. In der Röhre ist unterhalb des Anodengitters eine rötliche Leuchterscheinung zu erkennen,
die mit steigender Spannung nach unten wandert.
Leuchtendes Neongas in der Röhre
Dann steigt sie wieder an, um bei 38V erneut zu fallen. Dabei ist eine zweite rötlich leuchtende Schicht am Anodengitter zu erkennen. Danach steigt die Stromstärke wieder an. Bei ca. 50V leuchtet die gesamte Röhre und es ist kein Minimum mehr sichtbar.
Stromstärke in Abhängigkeit von der Beschleuinigungsspannung (wir hatten nur 2 Minima)
Versuchserklärung:
Wenn die Beschleunigungsspannung kleiner als ca. 19V ist, finden nur elastische Stöße zwischen den Elektronen und den Atomen statt. Dabei wird keine Energie übertragen. Deshalb kommen praktisch alle erzeugten Elektronen bei der Auffangelektrode an.
Wenn die Beschleuinigungsspannung 19V überschreitet, kommt es zu inelastischen Stößen, bei denen die gesamte kinetische Energie der Elektronen auf ein Elektron im Neonatom übertragen wird. Das liegt daran, dass Elektronen in einem Atom nur angeregt werden, wenn sie die exakte Energie für einen Bahnsprung bekommen. Die Energieübertragung wird als inelastischer Stoß bezeichnet. Dadurch springt es auf eine äußere (energiereichere) Bahn. Nach sehr kurzer Zeit springt das Elektron unter Energieabgabe zurück auf die innere Bahn, wobei die Energie in Form von Licht (Photonen) abgegeben wird. Dieses Licht ist als rote Leuchterscheinung in der Röhre zu sehen.
Das gleichzeitige Sinken der Stromstärke ist ebenfalls mit den unelastischen Sprüngen zu begründen. Denn die emittierten Elektronen, die ihre Energie an die Elektronen der Neonatome abgeben, haben nach einem inelastischen Stoß eine kinetische Energie von 0. Das heißt, dass sie stehen bleiben und dadurch weniger Elektronen die Auffangelektrode erreichen.
Steigt die Beschleunigungsspannung weiter an, besitzen die emittierten Elektronen schon eher die Energie für einen inelastischen Stoß, wodurch die leuchtende Schicht in der Röhre langsam nach unten wandert. Ab einer Beschleunigungsspannung von etwa 38 Volt werden die emittierten Elektronen wieder nach dem ersten inelastischen Stoß so stark beschleunigt, dass erneut inelastische Stöße stattfinden, weshalb ein zweiter Leuchtstreifen zu sehen ist. Mit jedem weiteren Anstieg der Beschleunigungsspannung von etwa 19 Volt erscheint aufgrund der zuvor beschriebenen Prozesse ein weiterer Leuchtstreifen in der Röhre.
Aussendung von rotem Licht beim Frank-Hertz-Versuch
Zusammenfassung:
Die Elektronen in Atomen können nur mit ganz bestimmten (diskreten) Energien angeregt werden. Ist die Energie zu klein oder zu groß findet keine Anregung statt.
Der Frank-Hertz-Versuch ist eine Bestätigung für die Existenz diskreter Energiezustände des Bohr’schen Atommodells.
Erstellt mit Teiltexten von Mehmet 21.1.22