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Der Franck - Hertz - Versuch

 

 Freie Atome in einer Leuchtstoffröhre liefern Spektrallinien mit scharfen Frequenzen.

 ??? Nehmen Atome  auch nur bestimmte Energien auf ???

 

Demo-Voltmeter Demo-Amperemeter Messverstärker Röhrennetzgerät   Franck-Hertz-Röhre (Hg) mit Heizofen Voltmeter zur MEssung der Beschleunigungsspannung Röhrennetzgerät X-Y-Schreiber
 

Idee:  J. Franck und G. Hertz hatten 1913 die Idee, Atome durch Stöße mit Elektronen anzuregen. Dazu mussten die Elektronen eine Strecke mit einer variablen Beschleunigungsspannung durchlaufen.

Für ihre Ergebnisse wurden J. Franck und G. Hertz 1925 mit dem Nobelpreis geehrt.

 

 

prinzipieller Aufbau der FRANCK - HERTZ - Röhre:

    Die Skizze zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Franck-Hertz-Röhre. 

    Von der Kathode werden durch Glühemission Elektronen emittiert, die durch die Beschleunigungsspannung UB zur Anode beschleunigt werden. Die  beschleunigten Elektronen dringen durch das Anodengitter und gelangen durch die Gegenspannung UG abgebremst zur Auffangelektrode.

     In einem Glaskolben ist ein Gas (hier Hg) eingeschlossen. Da Hg bei Raumtemperatur unter Normaldruck flüssig ist, muss die Röhre geheizt werden.  Die FRANCK - HERTZ - Röhre befindet sich in einem Heizofen und wird auf ca. 170°C bis 190 °C erwärmt.  Eine weitere Möglichkeit, Hg in einen gasförmigen Zustand zu überführen, bietet die Evakuierung der Röhre.  Diese Variante wird bei der FRANCK - HERTZ - Kombiröhre genutzt.  Historisch wurde die Röhre wie hier beschrieben, beheizt.

 

     
Die von der Kathode emittierten Elektronen werden im Feld zwischen Kathode und gitterförmiger Anode mit UB beschleunigt.  Je größer die Beschleunigungsspannung UB, desto schneller werden die Elektronen.

Treffen die Elektronen auf ihrem Weg zur Anode auf Hg-Atome, dann gibt es zwei Möglichkeiten:

  1. elastische Stöße - die Elektronen geben ihre kin. Energie nicht ab
  2. unelastische Stöße - die Elektronen geben ihre Energie ganz oder teilweise an die Atome ab

zu 1: Warum geben Elektronen ihre Energie nicht ab?

Atome können nur diskrete Energiewerte aufnehmen.  Ist die kin. Energie der Elektronen kleiner, als die niedrigste Energiestufe der Atome, dann können diese keine Energie aufnehmen.  Das niedrigste Anregungsniveau des Hg- Atoms liegt bei 4,9 eV. 

 

zu 2.: Ist die kin. Energie der Elektronen größer / gleich 4,9 eV, das entspricht einer Geschwindigkeit von v > 1,3 *106 m/s (vgl. Grafik rechts), dann können die Elektronen Teile ihrer Energie an das Atom abgeben.  Hüllenelektronen des Hg-Atoms  werden in ein höheres Energieniveau gehoben (vgl. Grafik rechts),  das Atom befindet sich in einem angeregten Zustand.  Nach einer kurzen Verweildauer fällt das Atom unter Aussendung eines Lichtquants in des Grundzustand zurück.  Der Rückfall in den Grundzustand kann direkt oder über andere Energiestufen des Atoms erfolgen (vgl. Grafik rechts).

 

Wie entstehen die Peaks im Grafen und die Leuchtschichten zwischen Kathode und Anode?

 

..... in Arbeit

 

 

Beobachtungen der Franck - Hertz - Röhre durch ein Prismenspektroskop  
     
Die nebenstehenden Abbildungen zeigen das Schreiberbild. Es wurde der Strom an der Auffangelektrode in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung abgetragen.  
     
   
Es gelangen nur die Elektronen zur Auffangelektrode, deren Energie groß genug ist, die Gegenspannung zu überwinden. Die Gegenspannung war in diesem Versuch regelbar und betrug ca. 2V.
  Zur Animation des Franck - Hertz - Versuches - klicke auf die Abbildung!
     

 

Darstellung des Stroms an der Auffangelektrode am Oszillographen:
Der Oszillograph stellt eine Eingangsgröße "y" in Abhängigkeit von der Zeit oder von einer zweiten Eingangsgröße "X" dar (x / y - Betrieb)

Um ein Bild, wie rechts dargestellt zu generieren, muss die Zeit, in der der Bildschirm horizontal durchlaufen wird, sehr klein sein.

Eine manuelle Regelung der Beschleunigungsspannung wäre zu langsam und würde je nach Zeitwahl eine "Gerade" oder einen "Punkt" zeigen, die sich im gleichen Verhältnis wie der Auffängerstrom auf und ab bewegen.

 

 
   

Oszillographenbild - Aufbau 1

Über das Betriebsgerät kann die Beschleunigungsspannung wahlweise  manuell oder elektronisch generiert gewählt werden.

Bei der elektronisch generierten Beschleunigungsspannung handelt es sich um einen Sägezahnimpuls, d.h. das Signal - hier die Beschleunigungsspannung steigt langsam, quasilinear an und fällt nach Erreichen des gewählten Maximalwertes steil wieder ab. Dieser Vorgang wiederholt sich mit einer Frequenz von ca. 200 Hz.

 
   

Betriebsgerät

 

Aufbau 1

 

Aufbau 2

 

Einstellung des Amplitudenmaßstabs 0,5Vje Teilstrich

 

Einstellung der Zeitbasis 0,5ms je Teilstrich

Oszillographenbild - Aufbau 2 

   
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