Franck-Hertz-Versuch einfach erklärt

Aufbau des Versuchs

Abschnittsüberblick: In diesem Abschnitt wird der Aufbau des Versuchs beschrieben, bei dem Quecksilberdampf in einer Röhre verwendet wird.

Aufbau des Versuchs

• Eine Röhre wird mit Quecksilberdampf gefüllt.

• In die Mitte der Röhre wird ein Gitter gesetzt.

• Links an die Röhre kommt eine Glühkathode, die Elektronen emittiert.

• Rechts in die Röhre wird eine Anode eingebaut.

• Die Heizspannung dient dazu, Elektroden aus der Glühkathode zu emittieren.

• Die Beschleunigungsspannung beschleunigt die Elektronen in Richtung des positiv geladenen Gitters.

• Eine Gegenspannung soll die Elektronen abbremsen und nur durchlassen, wenn sie genug Energie haben, um diese Spannung zu überwinden.

Durchführung des Versuchs

Abschnittsüberblick: In diesem Abschnitt wird beschrieben, wie der Versuch durchgeführt wird und wie sich der Anodenstrom in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung verhält.

Durchführung des Versuchs

• Eine Gegenspannung von 0,5 Volt bleibt konstant.

• Die Beschleunigungsspannung wird langsam erhöht und dabei der Anodenstrom gemessen.

• Je höher die Beschleunigungsspannung ist, desto mehr Energie besitzen die Elektronen und desto mehr können sie die Gegenspannung überwinden.

• Ab etwa 2 Volt Beschleunigungsspannung besitzen die Elektronen genug Energie, um die Gegenspannung zu überwinden und zur Anode zu gelangen.

• Der Anodenstrom steigt mit zunehmender Beschleunigungsspannung an.

Beobachtungen im Versuch

Abschnittsüberblick: In diesem Abschnitt werden die Beobachtungen im Versuch beschrieben und erklärt, warum der Anodenstrom bei bestimmten Spannungen abbricht.

Beobachtungen im Versuch

• Bei einer Beschleunigungsspannung von 4,9 Volt fällt der Strom rapide ab und es entsteht ein grüner Leuchtstreifen nahe am Gitter.

• Durch Erhöhen der Beschleunigungsspannung steigt der Anodenstrom wieder an und der grüne Streifen rückt näher zur Kathode.

• Bei einer Beschleunigung von 9,8 Volt bricht der Anodenstrom erneut ein und ein zweiter grüner Streifen entsteht vor dem Gitter.

• Dieses Muster setzt sich fort, wobei bei jedem Vielfachen von 4,9 Volt als Beschleunigungsspannung der Anodenstrom abbricht und ein weiterer grüner Streifen entsteht.

Erklärung für die Beobachtungen

Abschnittsüberblick: In diesem Abschnitt wird erklärt, was in der Röhre passiert und warum die beobachteten Phänomene auftreten.

Erklärung für die Beobachtungen

• Bei Beschleunigungen unter 4,9 Volt führen die Elektronen elastische Zusammenstöße mit den Quecksilberatomen aus. Es findet keine Energieübertragung statt und die Elektronen werden nur abgelenkt.

• Bei Beschleunigungen über 4,9 Volt führen die Elektronen unelastische Stöße mit den Quecksilberatomen aus. Dabei geben sie genau 4,9 Elektronenvolt ab und bringen das Atom in einen angeregten Zustand.

• Beim Rückfall des angeregten Zustands in den normalen Zustand wird ein Photon emittiert, was das Leuchten verursacht.

• Das Leuchten tritt nur bei Vielfachen von 4,9 Volt auf, da nur bestimmte Energieniveaus der Elektronen im Atom erlaubt sind.

Zusammenfassung

Abschnittsüberblick: In diesem Abschnitt wird eine Zusammenfassung des Experiments gegeben und aufgezeigt, dass die beobachteten Phänomene auf scharf definierte Energieniveaus der Elektronen zurückzuführen sind.

Zusammenfassung

• Das Experiment zeigt, dass das Leuchten nur bei Vielfachen von 4,9 Volt als Beschleunigungsspannung auftritt.

• Dies deutet darauf hin, dass die Energieniveaus der Elektronen im Atom scharf definiert sind und nur bestimmte Übergänge erlauben.

• Wenn ein Elektron mit einer Energie von mindestens 4,9 Elektronenvolt auf ein anderes Atom trifft, gibt es genau diese Energie ab und bringt das Atom in einen angeregten Zustand.

• Beim Rückfall in den normalen Zustand wird ein Photon emittiert, was das Leuchten verursacht.

Schlussfolgerung

Abschnittsüberblick: In diesem Abschnitt wird die Schlussfolgerung gezogen, dass die beobachteten Phänomene auf den unelastischen Stoß der Elektronen mit den Quecksilberatomen zurückzuführen sind.

Schlussfolgerung

• Die beobachteten Phänomene im Experiment lassen sich darauf zurückführen, dass die Elektronen bei einem unelastischen Stoß genau 4,9 Elektronenvolt an das Quecksilberatom abgeben.

• Dies führt zu einer Anregung des Atoms und beim Rückfall in den Grundzustand wird ein Photon emittiert, was das Leuchten verursacht.