Franck-Hertz-Versuch mit Thyratron

ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht
ERFURT
Franck-Hertz-Versuch
mit Thyratron
Robert Brückner
Clemens Fischer
Marco Poppe
Schule:
von-Bülow-Gymnasium
Zinzendorfstraße 19
99192 Neudietendorf
Jugend forscht 2010
„Jugend forscht“ 2010
Robert Brückner
Clemens Fischer
Marco Poppe
Betreuer: Achim Bode
von-Bülow-Gymnasium
Zinzendorfstr. 19
99192 Neudietendorf
Fachgebiet: Physik
Anmelde-Nr.: 23330
Franck-Hertz-Versuch mit Thyratron
Gliederung:
1
2
2.1
2.2
2.3
3
3.1
3.2
3.3
4
4.1
4.2
5
6
Problemstellung
Klassischer Franck-Hertz-Versuch
Versuchsaufbau und -durchführung
Ergebnisse und ihre Bedeutung für die Physik
Kommerzielle Lehrmittel
Thyratrons
Aufbau, Funktion und Verwendung
Beschreibung einiger Thyratrons
Funktionsprüfung
Aufnahme von UB-IG-Kennlinien der Thyratrons
Beschreibung unserer Versuchsdurchführung
Messergebnisse
Vorschlag für den Physik-Unterricht in Klasse 12
Ausblick
1
1
Problemstellung
Unser Physiklehrer hat uns auf folgendes Problem aufmerksam gemacht:
In der 12. Klasse wird der Franck-Hertz-Versuch behandelt. Dieser Versuch ist grundlegend
für das Verständnis der Quantenphysik.
Man kann diesen Versuch auch im Unterricht durchführen, aber die Geräte sind sehr teuer.
Deren Anschaffung für eine einzige Physikstunde ist vielen Schulen finanziell nicht möglich.
Wie eine Franck-Hertz-Röhre sind im Prinzip die Thyratrons aufgebaut. Solche Röhren sind
oft preiswert zu bekommen. Wir wollten herausfinden, ob man mit ihnen den Franck-HertzVersuch durchführen kann. In [1] ist dazu ein Versuch beschrieben.
Wir haben uns zuerst kundig gemacht, was der Franck-Hertz-Versuch überhaupt ist und
warum er so eine große Bedeutung hat. Hierfür haben wir uns Bücher von unserem
Physiklehrer ausgeliehen und uns auch etwas von ihm erklären lassen sowie selbständig
recherchiert. Daraufhin haben wir uns über den Bau und die Funktion eines Thyratrons
informiert. Nachdem wir einige verschiedene Thyratrons gekauft hatten, führten wir erste
Experimente durch und nahmen die charakteristischen I-U-Kennlinien auf und verglichen sie
mit denen des Originalversuchs. Wir experimentierten mit verschiedenen Heizströmen sowie
verschiedenen Gegenspannungen an den Thyratrons und fanden auch dem Originalversuch
ähnliche Kennlinien. Unsere Ergebnisse haben wir mit Dr. Denner von der TU Ilmenau
diskutiert. Er hat uns wichtige Hinweise gegeben, was noch zu beachten wäre. Daraufhin
begaben wir uns erneut an die Arbeit, nahmen einige Veränderungen vor und können jetzt
unser vollständiges Ergebnis präsentieren.
2
Klassischer Franck-Hertz-Versuch
James Franck und Gustav Hertz haben im Jahr 1913 ein später nach ihnen benanntes
Experiment durchgeführt. Sie beschäftigten sich mit den Vorgängen in Gasentladungsröhren,
insbesondere mit den Zusammenstößen zwischen Elektronen und Gasatomen. Damit wollten
sie eine Theorie widerlegen, nach der die Elektronen bei diesen Stößen ihre gesamte
kinetische Energie abgeben sollten.
2.1
Versuchsaufbau und -durchführung
In einem Glaskolben befindet sich Quecksilberdampf mit einem niedrigen Druck. Auf einer
Seite des Glaskolbens ist eine geheizte Glühkathode K, etwa in der Mitte der Röhre ein für
Elektronen durchlässiges Gitter G und wenige Millimeter hinter dem Gitter befindet sich eine
Platte A, die Anode.
2
Durch das Heizen sendet die Kathode Elektronen aus. Mit der Spannung Ub werden die
Elektronen zum Gitter beschleunigt. Auf ihrem Weg stoßen sie häufig mit den
Quecksilberatomen zusammen. Die meisten Elektronen fließen vom Gitter zum Pluspol von
Ub. Einige Elektronen durchdringen das Gitter und fliegen zur Anode. Die Spannung Ug
erzeugt ein schwaches Gegenfeld. Das Strommessgerät zeigt an, wie viele Elektronen beim
Durchtritt durch G noch eine gewisse Mindestenergie besitzen.
2.2
Ergebnisse und ihre und Bedeutung für die Physik
Erhöht man die Spannung Ub, wachsen die gemessenen Stromwerte zunächst an. Ab einem
bestimmten Spannungswert geschieht aber etwas Überraschendes: Der Strom fällt ab, erreicht
einen Minimalwert und steigt dann wieder an. Etwa bei dem doppelten Wert der Spannung,
bei der die Stromstärke zum ersten Mal sinkt, fällt er erneut ab und steigt danach wiederum
an. Dies wiederholt sich mehrmals. Die Spannungswerte mit minimalem Strom haben bei der
Quecksilberröhre eine Differenz von ca. 4,9 V.
James Franck und Gustav Hertz fanden dafür folgende Erklärung:
Die Stromminima entstehen, wenn die Elektronen unmittelbar vor dem Gitter ihre gesamte
kinetische Energie an die Quecksilberatome abgegeben haben (unelastische Stöße). Wegen
des Gegenfeldes können die Elektronen dann nicht mehr die Anode erreichen. Zonen
zwischen Kathode und Gitter mit unelastischen Stößen können auch mehrfach in der Röhre
auftreten (zweites, drittes, … Stromminimum).
Bemerkenswert ist das Resultat:
Quecksilberatome nehmen von den Elektronen nur dann Energie auf, wenn es sich um den
Betrag 4,9 eV handelt. Mit anderen Energien kann man die Atome nicht anregen.
Im gleichen Jahr, in dem James Franck und Gustav Hertz ihren Versuch erstmals
durchführten, formulierte Nils Bohr im nach ihm benannten Atommodell:
„Elektronen bewegen sich im Atom nur auf Bahnen mit bestimmten Energien. Beim Sprung
eines Elektrons zu einer energetisch tieferen Bahn wird diese Energiedifferenz als Lichtquant
abgestrahlt.“
Die mit 4,9 eV fliegenden Elektronen haben also jeweils ein Elektron auf eine um diesen
Betrag energetisch höhere Bahn gehoben und ihre Energie dabei verloren.
Der Franck-Hertz-Versuch bestätigt somit die Richtigkeit des bohrschen Atommodells!
3
2.3
Kommerzielle Lehrmittel
Die Firmen Conatex und 3B Scientific Physics bieten die gleichen Geräte an, die Preise
stimmen überein:
1
2a
oder
2b
Franck-Hertz-Betriebsgerät
Franck-Hertz-Röhre (Hg) mit Heizofen
€ 534
€ 796
Franck-Hertz-Röhre (Ne)
€ 405
Im Katalog von Leybold Didactic haben wir wesentlich teurere Geräte gefunden:
1
Franck-Hertz-Betriebsgerät
€ 1022
2a
Franck-Hertz-Röhre (Hg)
€ 501
Anschlussfassung
€ 149
Rohrofen
€ 222
oder
2b
Franck-Hertz-Röhre (Ne)
€ 537
Anschlussfassung
€ 203
Verbindungskabel
€ 26,60
Alle Preise zzgl. Mehrwertsteuer!
Damit man im Physikunterricht den Franck-Hertz-Versuch mit Quecksilber durchführen
kann, müssen also mindestens für € 1582,70 Lehrmittel gekauft werden.
4
3
Thyratrons
3.1
Aufbau, Funktion und Verwendung
Aufbau:
Ein Thyratron besteht aus einer gasgefüllten Glasröhre, die eine geheizte Kathode sowie ein
oder mehrere Gitter und eine Anode enthält.
Funktion:
An Kathode und Anode wird eine Spannung angeschlossen (Anode: Pluspol). Von der Katode
zur Anode kann kein Strom fließen; die Röhre ist gesperrt, auch wenn die Anodenspannung
mehrere hundert Volt beträgt. Mit einer zusätzlichen Spannung am Gitter wird das Gas in der
Röhre ionisiert. Man sagt, die Röhre wurde gezündet. Jetzt fließt ein starker Strom von der
Kathode zur Anode. Seine Größe hängt vom Widerstand im Anodenstromkreis und der
Anodenspannung ab. Das Thyratron verhält sich nun wie eine gasgefüllte Gleichrichterröhre
ohne Gitter. Es gibt Thyratrons mit negativer und positiver Steuerkennlinie, je nachdem ob
die zur Zündung erforderliche Gitterspannung positiv oder negativ bezogen zur Katode ist.
Ein Löschen der Röhre über die Gitterspannung ist jedoch im Gegensatz zu Vakuumröhren,
wo der Anodenstrom jederzeit über Gitter gesteuert werden kann, nicht mehr möglich. Nach
der Zündung wird das Gitter durch eine Ionenwolke umhüllt, die dazu führt, dass das Gitter
seine Steuerfähigkeit verliert. Eine Steuerung der Röhre über das Gitter ist nun nicht mehr
möglich. Der Anodenstrom fließt so lange, bis die Spannung zwischen Anode und Katode
einen bestimmten Wert unterschreitet.
Verwendung:
Thyratrons wurden bis in die 1960er Jahre zur Realisierung von steuerbaren Gleichrichtern
und Phasenanschnittsteuerungen verwendet. Sie sind heute durch Thyristoren, Triacs und
IGBT fast vollständig ersetzt worden.
Wasserstoff-Impuls-Thyratrons werden jedoch bis heute gefertigt, da diese besonders schnell
sehr hohe Leistungen schalten können. Sie werden in Impulsgeneratoren, u. a. in
Excimerlasern zur Steuerung der Pumpentladung, eingesetzt und konnten dort erst ca. 2004
teilweise durch Halbleiter ersetzt werden.
5
3.2
Beschreibung einiger Thyratrons
Weil die von uns verwendeten Röhren schon ca. 40-50 Jahre alt sind und teilweise von
ausländischen Firmen stammen, sind die Angaben leider nicht vollständig. Wichtig für uns ist
vor allem, dass wir die maximale Heizspannung nicht überschreiten, damit der Glühdraht
nicht durchbrennt.
Die maximale Anodenspannung und der maximale Anodenstrom sind nicht von Bedeutung,
weil wir die Röhren nur mit Kleinspannung betreiben.
TQ41
Durchmesser:
Höhe:
Hersteller:
Heizspannung, -strom:
Gasfüllung:
Quellen:
ca. 55 mm
ca. 230 mm
Brown-Boveri & Cie
vermutlich 5 V; ca.10 A
Quecksilberdampf
[2]
TG1-2,5/4
Durchmesser:
Höhe:
Hersteller:
Heizspannung, -strom:
Gasfüllung:
Quellen:
ca. 80 mm
ca. 230 mm
unbekannt, UdSSR
5 V; 10 … 15 A
Argon
[3]
S1,3/30dV
Durchmesser:
Höhe:
Hersteller:
Heizspannung, -strom:
Gasfüllung:
Quellen:
ca. 42 mm
ca. 140 mm
VEB Werk für Fernsehelektronik,
DDR
2,5 V; 9 A
Xenon
[4]
S1,3/0,5iV
Durchmesser:
Höhe:
Hersteller:
Heizspannung, -strom:
Vergleichstyp:
Gasfüllung:
Quellen:
ca. 18 mm
ca. 50 mm
VEB Werk für Fernsehelektronik,
DDR
6,3 V; 0,6 A
GL 5727
Xenon
[5]
6
C1B/A
Durchmesser:
Höhe:
Hersteller:
Heizspannung, -strom:
Gasfüllung:
Quellen:
ca. 42 mm
ca. 140 mm
Electrons Co., Newark, N. J., USA
2,5 V; 6,3 A
Xenon
[6]
S1,3/2iV
Durchmesser:
Höhe:
Hersteller:
Heizspannung, -strom:
Vergleichstyp:
Gasfüllung:
Quellen:
ca. 29 mm
ca. 65 mm
VEB Werk für Fernsehelektronik,
DDR
6,3 V; 0,95 A
PL 6574
lt. [1] Argon, Neon
lt. [4] Xenon
[1]
Alle Sockelbilder zeigen den Blick auf die Steckstifte.
Abkürzungen: f: Heizung, k: Kathode, g: Gitter, a: Anode
Das Foto zeigt die Röhren von links nach rechts in der Reihenfolge der Kurzbeschreibung.
7
3.3
Funktionsprüfung
Die Thyratrons, mit denen wir experimentieren, sind sehr alt und meist gebraucht. Deshalb
mussten wir erst testen, ob sie funktionieren. Dazu haben wir diese Schaltung verwendet:
Heizspannung und Anodenspannung werden angelegt. Ist die Anodenspannung eine
geglättete Gleichspannung, so leuchtet die Lampe nach kurzzeitigem Drücken des Tasters
ständig. Ist die Anodenspannung pulsierend, so leuchtet die Lampe nur bei geschlossenem
Schalter.
8
4
Aufnahme von UB-IG-Kennlinien der Thyratrons
4.1
Beschreibung unserer Versuchsdurchführung
Hier ist zunächst der prinzipielle Versuchsaufbau zu sehen:
Beim Arbeiten mit den kleinen Thyratrons S1,3/0,5iV und S1,3/2iV kann man alle drei
Spannungen einem Stromversorgungsgerät SVG (DDR-Produktion) mit dem angesteckten
Zusatzteil für Röhrenversuche entnehmen. Für die großen Thyratrons haben wir ein extra
Netzgerät für die Heizung verwendet, weil der Heizstrom größer ist.
Im Schaltbild nicht eingezeichnet sind Messgeräte zur Kontrolle von Heizstrom, Gitterstrom
und Gegenspannung.
Die Einstellmöglichkeit für U1 am Zusatzteil des SVG ist zu grob. Wir haben dafür diese
elektronische Regelung genutzt:
Der Widerstand 1 k Ohm ist unbedingt erforderlich, um das Gitter vor zu großem Strom zu
schützen!
Arbeit mit dem PC-Messinterface:
Das Strommessgerät für I2 ist ein DC-Milli-Pico-Meter MV 40. Bei jedem Strommessbereich
liefert der Ausgang des Gerätes einen Strom von 10 mA. An einem Widerstand von 10 Ohm
wird das eine Spannung von 100 mV. Diese wird von Sensor-CASSY als Input A gemessen.
Der Strom I2 wird je nach Messbereich des MV 40 mit einer Formel errechnet. Die Spannung
U1 ist Input B. Bei U1 = 1,2 V starten wir eine automatische Messwertaufnahme alle 0,5 s
und erhöhen mit dem Wendelpotentiometer gleichmäßig die Spannung. Dabei wird die I2-U1Kennlinie auf den Bildschirm geschrieben.
Parameter:
1. Heizstromstärke: Ist sie zu klein, so glüht die Kathode nicht mehr, ist sie zu hoch, ist der
Gitterstrom so groß, dass keine sinnvolle Kennlinie mehr entsteht.
2. Gegenspannung: Ihr Wert beeinflusst die Kennlinie stark, deshalb haben wir mit
verschiedenen Werten Kennlinien aufgenommen.
9
4.2
Messergebnisse
Man sieht keine lokalen Minima. Die Röhre ist für den Franck-Hertz-Versuch nicht geeignet.
Vielleicht liegt es daran, dass wir die Röhre nicht von außen erhitzt haben, wie es bei den
kommerziellen Franck-Hertz-Röhren gemacht wird.
Die Kennlinien haben zwar oberhalb von U1 = 16 V Unregelmäßigkeiten, aber auch durch
Verändern der Parameter lassen sich keine Minima erzeugen.
Auch diese Röhre ist für den Franck-Hertz-Versuch nicht geeignet.
10
Bei ca. 17 V steigt der Strom sehr stark an und erreicht anschließend ein ausgeprägtes
Minimum.
Der Vergleich beider Diagramme zeigt, dass mit höherer Heizstromstärke der Gegenstrom
deutlich größer wird.
Die Kennlinien sind denen des Franck-Hertz-Versuchs ähnlich, aber nur bis zum ersten
Stromminimum. Es ist nur dieses eine Minimum nachweisbar.
11
Das Thyratron S1,3/0,5iV soll lt. [4] Xenon als Füllgas haben (Endbuchstabe V). Wir haben
von Dr. Denner erfahren, dass Xenon u.a. zwei Spektrallinien mit den Wellenlängen 197,26
nm und 146,76 nm hat. Dies entspricht den Quantenenergien 6,3 eV und 8,5 eV. Das stark
ausgeprägte lokale Minimum bei 7-8 V im oberen Diagramm könnte aus einer Überlagerung
der Anregung der Xenon-Atome mit diesen Energien entstanden sein. Damit würden die
Messungen im oberen Diagramm einem Franck-Hertz-Versuch entsprechen. Bei höherer
Heizstromstärke verschwindet dieses Minimum, dafür treten aber z.T. neue auf.
Beschränkt man sich auf die Ermittlung eines Minimums, so ist dieses Thyratron dafür gut
geeignet, wenn man einen niedrigen Heizstrom wählt.
12
Das C1B/A zeigt dasselbe Minimum bei 7-8 V wie das S1,3/0,5iV, weil sie das gleiche
Füllgas enthalten. Beim C1B/A lassen sich jedoch bis zu drei Minima ermitteln. Dies ist aber
von der Gegenspannung abhängig.
Interessant ist, dass im oberen Diagramm ein Minimum bei ca. 14 V und ein weiteres bei ca.
28 V auftritt – in Übereinstimmung mit dem Franck-Hertz-Versuch.
Das C1B/A schien uns schon vor dem Experimentieren wegen seines Aufbaus sehr
vielversprechend. Man erkennt beim Blick schräg von oben, dass alle Elektronen auf dem
Weg von der Glühkathode zur Anode eine Öffnung mit einem Drahtgitter passieren müssen.
Bei den anderen Röhren ist nicht zu sehen, wie das Gitter zwischen Kathode und Anode
angeordnet ist.
13
Das obere Diagramm zeigt: Eine Gegenspannung von mehr als 3 V ist nicht sinnvoll!
Hier erkennt man sogar drei Minima bei U2 = 1 V und 2 V!
Eine weitere Vergrößerung des Heizstroms verbessert den Kennlinienverlauf nicht!
Wir haben mehrere Röhren dieses Typs ausprobiert. Die exemplarabhängigen Unterschiede
sind sehr gering.
14
5
Vorschlag für den Physik-Unterricht in Klasse 12
Das Thyratron S1,3/2iV zeigt die besten Ergebnisse. Zwei Minima in der Kennlinie sind auf
jeden Fall zu erzeugen, mit etwas Geschick auch drei – siehe untere Abbildung.
(Hier wurde die Kennlinie punktweise manuell aufgenommen.)
Wir halten deshalb diesen Thyratron-Versuch für den Physikunterricht geeignet. Es müsste
die Schüler neugierig machen, wenn sie bei der Messung sehen, dass sich der Strom nicht wie
erwartet gleichmäßig ändert, sondern mal zu- und mal abnimmt. Anschließend kann man sich
im Lehrbuch über die physikalischen Ursachen dieser Schwankungen informieren und die
Bedeutung des Franck-Hertz-Versuchs erfassen.
Wir sind uns aber nicht sicher, ob alle Minima wirklich durch unelastische Stöße und
Anregung eines einzigen Gases entstehen. Das sollte man im Unterricht mit sagen!
15
Damit der Thyratron-Versuch einfach und übersichtlich durchgeführt werden kann, entstand
dieses Gerät:
Von vorn sieht man die Schaltung und die Anschlüsse. Im Kasten sind der Spannungsregler,
ein Drehwiderstand für das Einstellen des Heizstroms sowie Buchsen für Kontrollinstrumente
und Wendelpotentiometer.
Statt die Messungen mit dem PC durchzuführen, kann man auch Digitalmultimeter
verwenden. Wenn sie den Messbereich 20 µA besitzen, kann man auch die sehr kleinen
Ströme gut messen.
Die Heizung muss ca. 10 Minuten vor Versuchsbeginn eingeschaltet werden, damit sich der
Heizstrom auf einen konstanten Wert einstellt.
16
6
Ausblick
An unserer Schule befindet sich eine Schülerfirma im Aufbau, die u. a. Dienstleistungen für
Schüler vermitteln will. Wenn diese Schülerfirma geschäftsfähig ist, könnte sie auch das
Gerät für den Thyratron-Versuch anbieten, herstellen und vertreiben. Anfangs würden wir den
Versuch Physiklehrern in einer regionalen Fortbildungsveranstaltung zeigen, um
herauszufinden, ob Interesse besteht und so vielleicht erste Kunden gewinnen.
Wir bedanken uns für die Hilfe bei der Erstellung dieser Arbeit bei unserem Betreuer und
außerdem bei:
PD Dr. Denner, TU Ilmenau,
Herrn Fiebich, Leiter des Schülerlabors im Elektromuseum Erfurt,
Joachim Euchler aus unserer Klasse!
Quellen:
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
Physikalische Schulversuche, Band 11 „Aufbau der Stoffe“,
Volk und Wissen Volkseigener Verlag Berlin 1979
http://www.tubecollection.de/ura/roehrensammlung.htm
http://www.oppermann-electronic.de/html/spezialrohren.html
http://www.radiomuseum.org/tubes/tube_s330dv.html
http://www.mif.pg.gda.pl/homepages/frank/sheets/093/5/5727.pdf
http://www.normanmachinetool.com/used_product_desc.php?pid=1298&prod=
ELECTRONIC_COMPONENTS_ELECTRONS,_INC_
http://www.tuberix.de/site/thyratron/thyratron.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Thyratron
Kataloge der Firmen Leybold Didactic, Conatex, 3B Scientific Physics
Kuhn Physik Band 2 Klasse 12/13, Westermann-Verlag
Daten von Röhren findet man auch auf diesen Web-Seiten:
http://www.shinjo.info/frank/sheets65.html
http://frank.pocnet.net/type.html
http://www.tubedata.de
http://www.triodeel.com/tubedata.htm
http://tubedata.milbert.com/
http://www.tubedata.org/links.html
http://www.pmillett.com/hb-3_tube_manual.htm
Bezugsmöglichkeit für S1,3/2iV:
www.oppermann-electronic.de/html/rundfunkrohren.html
17
Preis: 4,90 €