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Der FRANCK - HERTZ - Versuch

mit Quecksilber und Neonfüllung

 

Auf dieser Seite wird das Experiment ausschließlich vorgestellt. Zu den Schülererklärungen führen die folgenden Links:

 
     Hg
     Ne
800 nm                                                                                                                              400 nm

 

Dieser Versuch ist sicher der schönste und visuell faszinierendste Versuche des Semesters.

Franck-Hertz-Kombiröhre UNI 21- Multimeter Röhrennetzgerät Messverstärker UNI-7 Multimeter X-Y-Schreiber Batterie Demo-Multimeter Spektroskop Potentiometer Die F-H-V Kombiröhre wird mir mit einem Heizstrom I < 5A beheizt. Der Heizstrom wird über ein 2,5W  -  10W Potentiometer  geregelt. (gelber Kreis, bei UH = 2V - 4V)

Über eine Batterie (hinter Messverstärker) wird die Gegenspannung zwischen Gitteranode und Auffangelektrode angelegt. (grauer Kreis)

Über das Röhrennetzgerät wird die Beschleunigungsspannung von 0 bis 25 V angelegt. Die Beschleunigungsspannung wird mit dem Demo-Messgerät gemessen und der Auffängerstrom in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung mit dem x-y-Schreiber aufgezeichnet. (rot-blauer Kreis)

(Fahre mit der Mouse über die Geräte!)

Im Unterschied zum FHV mit Quecksilber wird diese Röhre nicht in einem Ofen beheizt. Im Innenraum der Röhre befinden sich Quecksilber und Neon unter einem Druck von 1,5 mbar.

 

Foto der Röhre Foto des Spektrums  
  Bei einer Beschleunigungsspannung von 0 bis 9 V sind im Entladungsraum keine Gasentladungen zu erkennen. Der Strom an der Auffangelektrode steigt kaum an.

 

UB < 10,5 V, Glühen des Heizdrahtes    

Ab einer Beschleunigungsspannung von ca. 10 V ist ein blaues Leuchten  zu erkennen. Die Spektroskopische Untersuchung zeigt, das Hg-Spektrum.

Die Energie von ca. 8eV ( korrigiert ) hebt die Elektronen auf ein Energieniveau, von dem aus Licht im sichtbaren Bereich emittiert wird.

10,5V < UB < 18V Die spektroskopische Untersuchung liefert das Quecksilberspektrum  Das Anlegen einer genügend großen Spannung, hier ab ca. 10V, versetzt die Gasstrecke in einen leitenden Zustand.
Wie im Energieniveauschema von Quecksilber zu erkennen ist, beträgt die Ionisierungsspannung  10,5V. Die Ladungsträger werden hier durch Stoßionisation erzeugt, der Auffängerstrom steigt stark an.

Eine weitere Steigerung der Beschleunigungsspannung führt zu einem Anstieg des Auffängerstromes. Bei ca. 17 V ( korrigiert 15,5 V ) ist ein steiler Abfall des Auffängerstromes zu beobachten. Bei ca. 17 eV befindet sich auch das erste Energieniveau des Neons, auf das ein Elektron gehoben werden kann, d.h. unterhalb von 17 eV kann das Neonatom nicht aus dem Grundzustand heraus angeregt werden. Visuell (beobachtete Leuchterscheinungen und spektrographische Beobachtung) sind keine Veränderungen festzustellen. 

Der Stromabfall erklärt sich durch die Anregung der Neonlinien ( 73,5 nm  und   74,3nm). Da diese Wellenlängen im UV-Bereich  liegen, ist visuell keine Veränderung festzustellen.

    Quelle: Bedienungsanleitung Fa. ELWE

Bei ca. 21 V (korrigiert 18,3 V ) ist  ein zunächst rötliches Leuchten zu erkennen, was sich bei weiterer Erhöhung der Spannung immer stärker ausprägt. Spektroskopisch erscheinen nacheinander  die roten und gelben Linien des Neonspektrums.

Das blaue Leuchten des Quecksilberspektrums wird vom Neonleuchten überdeckt. Die spektrographische Untersuchung zeigt jedoch, dass alle Linien des Quecksilbers nach wie vor vorhanden sind. Neon- und Quecksilberatome werden jetzt parallel angeregt. 

Ein weiterer Anstieg der Beschleunigungsspannung führt auch zu einer Erhöhung des Auffängerstromes.

UB ca. 19 V Die spektroskopische Untersuchung liefert das Quecksilberspektrum UND das Neonspektrum  
Schülerbeschreibungen zum Experiment:
UB > 19V Quelle: Bedienungsanleitung Fa. ELWE

 

Ø Weitere Fragen zum Experiment:
  • Erkläre, warum die Anregungen der Quecksilberatome erst oberhalb von 10 V zu erkennen sind und nicht wie im FHV mit Quecksilber bereits bei 4,9 V!
  • Im klassischen FHV mit Quecksilber musste die FHR in einem Ofen auf 170°C bis 180°C erwärmt werden. Warum kann dieser Versuch ohne Heizung durchgeführt werden? Vergleiche diesen Versuch mit dem FHV mit Quecksilber!
  • Für Heizströme ab ca. 4,5 A bricht die Spannung  zusammen, d.h. das Röhrennetzgerät liefert nicht mehr die Ausgangsspannung von 25 V sondern nur noch 22 V. Erkläre!
  • Erkläre den Begriff Kontaktpotential!  Beschreibe seine Entstehung und den Einfluss  auf das Experiment!
     

 

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