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Physik, 13 Atomphysik - Frank Hertz Versuch

Java Applet Erklärungen

Übersicht

Das Experiment, das Franck und Hertz im Jahr 1914 durchführten, ist eines der Schlüsselexperimente, die bei der Entwicklung der modernen Atomphysik halfen. Es hat uns gezeigt, dass die Atome Energien nur in bestimmten Portionen oder 'Quanten' aufnehmen und bestätigte so die bohrschen Postulate.
Experiment

In dieser Abbildung sieht man die Umrisse einer Röhre mit der das Experiment durchgeführt wird und die Quecksilberdampf unter niedrigem Druck enthält. Die Glühkathode sendet Elektronen aus, deren kinetische Energie zu Beginn praktisch 0 ist. Sie gewinnen dadurch kinetische Energie, dass sie von einer Spannung zwischen der Kathode und dem Gitter beschleunigt werden.

Auf diesem Weg stoßen sie mit den Quecksilberatomen zusammen und können dabei an Energie verlieren.
Elektronen, die eine kinetische Energie von mindestens 1,5 eV haben wenn sie das Gitter erreichen, überwinden das Gegenfeld und gelangen zur Anode und tragen somit zum Anodenstrom Ic bei.
Elektronen, die beim Erreichen des Gitters weniger als 1,5 eV an kinetischer Energie haben, können die Gegenspannung nicht durchlaufen und tragen daher auch zum Anodenstrom Ic nichts bei.
Verlaufskurve

Die Stromstärke Ic zeigt mehrere Rückgänge jeweils im Abstand von etwa 4.9 eV.

Der erste Rückgang stammt von den Elektronen, die ihre gesamte kinetische Energie bei einem Stoß mit einem Quecksilberatom abgegeben haben.

Der zweite Rückgang stammt von den Elektronen, die ihre Energie bei zwei aufeinander folgenden Stößen an zwei verschiedene Quecksilberatome abgegeben haben.

 

Java Applet

In dem aus Spanien stammenden Applet wird der Anodenstrom Ic in Abhängigkeit der Beschleunigungsspannung (ddp catodo-rejilla) simmuliert. Die Messung wird durch drücken von Start (Nuevo) gestartet. Aus der Glühkathode treten in Wirklichkeit fortlaufend Elektronen aus. Graphisch dargestellt wird in diesem Applet nur die vorderste Front. Reicht die Energie für eine Anregung der Quecksilberatome, so leuchten diese rot auf.

Durch drücken von Enviar werden die Messdaten an das Diagramm Applet unten übergeben.

Borrar löscht die Daten (in beiden Applets).

© Ángel Franco García -1998-2005.

Nachdem die Messdaten durch drücken von Enviar übertragen worden sind , können sie mit Grafica im Diagramm dargstellt werden.

Erstellt eine Messreihe von 1V-20V:

1)  Tippe den entsprechenden Wert in die Box (ddp catodo-rejilla) ein und starte mit Nuevo. Achte auf die nun links erscheinenden schwarzen Punkte (Elektronen). Falls diese bei Stößen das Quecksilber zum leuchten bringen färben sich diese Atome rot (wo liegen sie). Was passiert mit den Elektronen im Gegenfeld? Übergib den Messwert mit Enviar an das Diagramm. Fahre mit der nächsten Spannung fort.

2) Erstelle ein Versuchsprotokoll (Hinweis für den 22.2.11: damit haben wir schon angefangen!) mit Aufbau und Diagramm. Übertrage außerdem für eine Spannung von 17V eine Zeichnung bei der die zum Leuchten angeregten Atome zu sehen sind.

3) Formuliere eine Erklärung zum Frank Hertz Versuch mit eigenen Worten.

 

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Erklärungen

Bis zum 1. Maximum (» 0-5 V):
Mit zunehmender Beschleunigungsspannung UB gelangen pro Zeiteinheit immer mehr Elektronen zum Anode. Die Energie reicht jedoch nicht aus, die Hg-Atome auf ein höheres Energieniveau zu heben, es finden nur elastische Stöße statt.
Zwischen 1. Maximum und 1. Minimum (» 5-6 V):
Die Elektronen besitzen kurz vor dem Gitter nun genügend Energie, um die Hg-Atome anzuregen. Nun stoßen die Elektronen mit Hg-Atomen zusammenstoßen und geben fast ihre gesamte Energie ab. Sie sind deshalb nicht mehr in der Lage, die Anode zu erreichen.
Zwischen 1. Minimum und 2. Maximum (» 6-10 V):
In diesem Bereich nimmt der Anodenstrom wieder zu. Die Elektronen nehmen nun nach dem Stoß wieder Energie im E-Feld auf (reicht nicht für eine weitere Anregung) und überwinden das Gegenfeld.
Zwischen 2. Maximum und 2. Minimum (» 10-11 V):
Einige Elektronen besitzen nun vor der Anode bereits genug Energie, um ein zwei Hg-Atom anzuregen. Der zweite Stoß findet kurz vor den Anode statt, der erste zwischen Kathode und Anode.
Zwischen 2. Minimum und 3. Maximum (» 11-15 V):
Die Elektronen besitzen nun nach den ersten beiden unelastischen Stößen wieder genügend Energie, um die Anode zu erreichen. Für einen weiteren unelastischen Stoß reicht die Energie jedoch nicht aus.
Zwischen 3. Maximum und 3. Minimum (» 15-16 V):
Der Strom nimmt wieder ab, was auf einen dritten unelastischen Stoß und damit auch auf eine weitere Anregung der Atome hinweist.

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letzte Änderung: 21.2.2011