Frank- Hertz
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Physikalisches Grundpraktikum, Versuch 17, FAU Erlangen-Nürnberg<br />
Franck-<strong>Hertz</strong>-Versuch<br />
Erneuert aus Studiengebühren<br />
Vorbereitung<br />
<br />
<br />
Elektronenröhren (v.a. Triode) und deren Kennlinien, Glühemission;<br />
elastische und inelastische Stöße von Elektronen an Atomen.<br />
Atommodelle: Thomson, Rutherford, Bohr-Sommerfeld;<br />
Anregung von Atomen, mögliche Übergänge zwischen verschiedenen Energiezuständen.<br />
Einführung:<br />
Im Jahr 1914 berichteten Franck und <strong>Hertz</strong> über den stufenweisen Energieverlust von Elektronen<br />
beim Durchgang durch Quecksilberdampf unter Emission von diskreter elektromagnetischer<br />
Strahlung. Der Franck-<strong>Hertz</strong>-Versuch ist ein klassisches Experiment zum Nachweis der diskreten<br />
Energiezustände im Atom, wie sie von Niels Bohr postuliert wurden. In diesem Versuch wird der<br />
Franck-<strong>Hertz</strong>-Effekt sowohl im klassischen Aufbau mit einer mit Quecksilberdampf gefüllten<br />
Röhre als auch mit einer Neon-Röhre gemessen, bei der die emittierte Strahlung im sichtbaren<br />
Bereich liegt und direkt beobachtet werden kann. In Abbildung 1 sind die Energieniveaus<br />
(Termschema) in Quecksilber- und in Neon-Atomen vereinfacht dargestellt.<br />
Abb. 1) Energieniveaus in Hg- (a) und Ne-Atomen (b)
Versuchsaufbau:<br />
Die Messung der Anodenstromkurven der mit Quecksilber bzw. Neon gefüllten Elektronenröhren<br />
erfolgt an einem computergestützten Messplatz. Mit Hilfe des Franck-<strong>Hertz</strong>-Betriebsgeräts werden<br />
die notwendigen Spannungen (Heizspannung, Beschleunigungsspannung, Gegenspannung) an die<br />
Franck-<strong>Hertz</strong>-Röhre über ein mehrpoliges Kabel angelegt. Der Anodenstrom wird über ein BNC-<br />
Kabel von der Röhre in das Betriebsgerät geführt, wo er verstärkt und digitalisiert wird und an den<br />
Computer über ein RS 232-Kabel übertragen wird. Die Temperatur der Hg-Röhre wird durch einen<br />
an das Betriebsgerät angeschlossenen Sensor gemessen, und auf die am Computer eingestellte<br />
Temperatur eingeregelt. Die Beschaltung der Quecksilberröhre ist schematisch in Abbildung 2<br />
dargestellt.<br />
Abb 2.) Schematische Aufbau der Hg-Röhre: C: indirekt beheizte Kathode; A: gitterförmige<br />
Beschleungungselektrode; S: Auffängerelektrode.<br />
Die von der Kathode C emittierten Elektronen werden aufgrund der angelegten<br />
Beschleunigungsspannung U1 zur gitterförmigen Anode A hin beschleunigt. Auf ihrem Weg zur<br />
Anode stoßen sie mit Hg-Atomen. In Abhängigkeit von der Elektronenenergie ist der Stoß entweder<br />
elastisch oder inelastisch. Der inelastische Stoß ist mit einer Änderung des Atomhüllenzustands<br />
(Anregung) verbunden, wobei das Elektron genau die Anregungsenergie an das Atom abgibt.<br />
Jenseits der Anode A befindet sich eine weitere Elektrode, die verglichen mit A auf negativem<br />
Potential liegt. Ist die kinetische Energie der Elektronen beim Durchfliegen von A groß genug, um<br />
das Gegenfeld zu Überwinden, so werden sie als Anodenstrom IA gemessen, ist ihre Energie zu<br />
klein gelangen Sie nicht zur Auffängerelektrode S.<br />
Für die Elektronenstoß-Versuche an Neon Atomen, wird eine Vierelektroden-Röhre verwendet<br />
(schematischer Aufbau siehe Abb. 3). Im Gegensatz zur Hg-Röhre, gibt es bei der Ne-Röhre zwei<br />
Beschleunigungselektroden A1 und A2, zwischen denen sich wie beim Plattenkondesator ein sehr<br />
homogenes elektrisches Feld aufbaut. Weiterhin führt das Vorhandensein der Beschleunigungsanode
A1 dazu, dass fast alle aus der Kathode austretenden Elektronen abgesaugt werden und<br />
Raumladungseffekte veringert werden.<br />
Abb. 3: Schematischer Aufbau der Ne-Vierelektrodenröhre; C indirekt geheizte Kathode, A1 und A2<br />
gitterförmige Beschleunigungselektroden, S Auffängerelektrode.<br />
Versuchsdurchführung<br />
Hinweis: Beachten Sie die am Versuch ausliegenden Bedienungsanleitungen!<br />
1. Messen Sie die Anodenstromkurve IA = f(U1) der mit Quecksilber gefüllten Röhre bei drei<br />
verschiedenen Temperaturen des Quecksilberdampfs (150°C, 170°C, 190°C). Variieren Sie<br />
dabei die Gegenspannung U2 ( 2 V – 4 V) jeweils so, dass Sie eine optimale Kurve erhalten.<br />
Wählen Sie dazu am Betriebsgerät die Funktion 'PC' und starten Sie am PC das Programm<br />
'Franck-<strong>Hertz</strong>-Versuch'. Der Temperaturregler an der Hg-Röhre ist maximal aufzudrehen.<br />
Durch Klicken auf den roten Punkt wird die Messung gestartet: Es öffnet sich ein Dialog-<br />
Fenster, in dem Sie die Temperatur und die Gegenspannung U2 eingeben können. Die<br />
Heizspannung UH für die Glühemission an der Kathode beträgt 6.3 V und darf nicht<br />
geändert werden. Wenn die Röhre die eingegeben Temperatur erreicht hat, kann die<br />
Messung gestartet werden und die Beschleunigungsspannung wird von 0 V bis 60 V<br />
durchgefahren. Wenn Sie eine geeignete Kurve aufgenommen haben, können Sie unter<br />
'Messauswertung' -> 'Kurvenanalyse' -> 'Extrema berechen' die Maxima und Minima<br />
bestimmen lassen und mit 'Ergebnis anzeigen' in Ihre Messung eintragen lassen. Drucken<br />
Sie geeignete Messungen aus!<br />
2. Messen Sie die Anodenstromkurve IA = f(U1) der mit Neon gefüllten Röhre; schalten Sie<br />
dazu das Betriebsgerät aus, schalten sie den Temperaturregler der Hg-Röhre auf Null,<br />
stecken Sie die Neonröhre an das Betriebsgerät an (Spannungsversorgung und Signalkabel),<br />
schalten Sie wieder ein und starten Sie das Programm neu. Bedienung erfolgt wie in<br />
Aufgabe 1. Messen Sie für drei verschiedene Steuerspannungen U3 (2.5 V – 3.5 V) und<br />
variieren Sie die Gegenspannung U2 (6 V – 8 V) so, dass Sie eine optimale Kurve erhalten.<br />
Die Heizspannung UH für die Glühemission beträgt 8 V und darf nicht geändert werden.<br />
Stellen Sie nun manuell (Am Steuergerät: Function manuell, Spannung am Drehknopf<br />
verändern, START/STOP; sollte die Röhre zünden sofort mit START/STOP ausschalten.)<br />
diejenigen Werte der Beschleunigungsspannung U1 ein, für die Sie Minima in den
Anodenstromkurve bekommen haben und zeichnen Sie in Ihr Heft wo zwischen den beiden<br />
Gittern Leuchterscheinungen in der Röhre zu beobachten sind.<br />
Auswertung<br />
Hg-Röhre<br />
3. Bestimmen Sie die Anregungsenergie der Quecksilberatome: Aus den Differenzen der<br />
Beschleunigungsspannungen für benachbarte Maxima der Anodenstromkurven<br />
DUi = Ui+1, max – Ui, max erhält man die Anregungsenergien Ea,i in Elektronenvolt. Berechnen<br />
Sie den Mittelwert und die Standardabweichung aller Ihrer Anregungsenergien Ea,i .Geben<br />
Sie unter Verwendung des Termschemas (Abbildung 1) an, um welchen Übergang es sich<br />
bei der Stoßanregung handeln könnte.<br />
4. Berechnen Sie aus der Anregungsenergie die Wellenlänge des vom Quecksilber bei der<br />
Abregung abgestrahlten Lichts (Tipp: hc = 1240 eV nm). Führen Sie eine<br />
Fehlerfortpflanzungsrechnung durch, indem Sie als Fehler der Anregungsenergie die oben<br />
bestimmte Standardabweichung verwenden. Ist das abgestrahlte Licht sichtbar?<br />
5. Diskutieren Sie welchen Einfluss die Temperatur der Röhre und die angelegte<br />
Gegenspannung auf die Anodenstromkurven haben.<br />
Ne-Röhre<br />
6. Bestimmen Sie die Anregungsenergie der Neonatome wie in Aufgabe 3. Verwenden Sie hier<br />
jedoch anstelle der Maxima die Minima, da die Maxima eine sehr asymmetrische Form<br />
aufweisen. Geben Sie unter Verwendung von Abbildung 1 an zu welchen Energieniveaus<br />
die Stoßanregung führt.<br />
7. Berechnen Sie die dieser Anregungsenergie entsprechende Wellenlänge der Strahlung bei<br />
der Abregung. Ist diese Strahlung sichtbar? Im Versuch wurde die Emission von rotem<br />
Licht (l = 650 -700 nm) beobachtet. Welcher Energiedifferenz entspricht dies? Erklären Sie<br />
unter Verwendung von Abbildung 1b) wie es zur Emission von rotem Licht kommt.<br />
8. Erklären Sie das Zustandekommen der Leuchterscheinungen in der Ne-Röhre, insbesondere<br />
die Abfolge/Lage von hellen und dunklen Zonen.