Experimental-Praktikums-Protokoll

Experimental-Praktikums-Protokoll
GK 13
Patrick Skoruppa
22. 02. 2011 2. Stunde
Franck-Hertz-Versuch
Der Franck-Hertz-Versuch wurde erstmals in den Jahren 1911 bis 1914 von James Franck und Gustav
Ludwig Hertz durchgeführt und belegt die Existenz von diskreten Energieniveaus in Atomen. Dieser
Befund stützte das bohrsche Atommodell und trug zur Fortentwicklung der Quantenmechanik bei. Den
Experimentatoren wurde für diesen Versuch im Jahre 1925 der Nobelpreis in Physik verliehen.
Im Versuch stoßen durch ein elektrisches Feld beschleunigte Elektronen mit Atomen zusammen und
geben dabei, falls sie energiereich genug sind, Energie ab. Gemessen wurde der Strom derjenigen
Elektronen, die noch genug Energie hatten, eine Anode zu erreichen, in Abhängigkeit von der
Beschleunigungsspannung. Ergänzt durch spektroskopische Untersuchungen des von den Atomen
emittierten Lichtes zeigt der Versuch, dass in Atomen Energieaufnahme und -abgabe nur in Form
diskreter Energiepakete (Quanten) erfolgt.
Der Franck-Hertz-Versuch gehört zu den eindrucksvollsten Belegen der Quantenphysik und ist
gleichzeitig relativ einfach aufgebaut. Er ist deshalb ein beliebter Demonstrations- und Praktikumsversuch
in der Physikausbildung.
Versuchsaufbau:
Versuchsdurchführung:
In einem Glaskolben befindet sich ein Gas (meist Quecksilberdampf, aber auch Neon ist üblich) mit
niedrigem Druck, typischerweise im Bereich von 10 bis 20 mbar. Auf einer Seite des Glaskolbens befindet
sich eine geheizte Glühkathode K, die durch die regelbare Spannung Ub etwas negativer als das Gitter G
geladen wird. Wenige Millimeter hinter dem Gitter befindet sich eine Platte A, die gegenüber dem Gitter
ein leicht negatives Potential von etwa 1 V besitzt.
Sinn dieser Anordnung ist, Elektronen zwischen K und G zu beschleunigen und mit den
Quecksilberatomen zusammenstoßen zu lassen. Mit dem schwachen Gegenfeld zwischen G und A wird
dann gemessen, wie viele Elektronen beim Durchtritt durch G noch eine gewisse Mindestenergie
besitzen.
Die von der Kathode emittierten Elektronen werden durch das elektrische Feld zwischen Kathode und
Gitter beschleunigt und erreichen am Gitter ihre höchste Geschwindigkeit. Die meisten Elektronen
landen auf dem Gitter und werden wegen Ub wieder zur Kathode zurück transportiert. Wenige passieren
das Gitter und werden vom elektrischen Feld zwischen Gitter und Platte A abgebremst (sogenannte
Gegenfeldmethode). Der Strom zwischen Kathode und Platte wird mit Hilfe eines empfindlichen
Amperemeters gemessen.
Beobachtung:
Erhöht man die Spannung Ub, wachsen die gemessenen Stromwerte zunächst an (1). Ab einem
bestimmten (von der Gasfüllung abhängigen) Spannungswert fällt der Strom ab (2), erreicht einen
Minimalwert und steigt dann wieder an (3). Etwa bei dem doppelten Wert der Spannung, bei der der
Strom zum ersten Mal sinkt, fällt er erneut ab (4) und steigt danach wiederum an. Dies wiederholt sich
periodisch, dabei steigt die Stromstärke jedes Mal auf einen höheren Wert. Die Abstände zwischen den
Maxima bzw. Minima sind – im Gegensatz zu vielen Darstellungen – allerdings nur näherungsweise
konstant.[2] Bei Röhren mit Neonfüllung können eine passende Anzahl leuchtender Schichten in der
Versuchsapparatur beobachtet werden, diese stammen allerdings, wie unten erläutert, nicht direkt aus
der Abregung in den Grundzustand.
Dieses Änderungsverhalten der Stromstärke zeigt sich nicht beim Kathodenstrom bzw. Gitterstrom.
Diese Stromstärke steigt mit der Spannung an bis – abhängig vom Gasdruck (bei Quecksilber etwa 40 V) –
eine Gasentladung zündet. Um eine Zerstörung der Röhre durch die schlagartig erhöhte Stromstärke zu
vermeiden, wird im Versuchsaufbau deshalb in Reihe zu Ub ein hochohmiger Widerstand angelegt.
Erklärung:
Der zu beobachtende Abfall der Stromstärke entspricht einer drastisch kleiner werdenden Zahl von zur
Platte „durchkommenden“ Elektronen. Das hängt damit zusammen, dass die Elektronen, sobald sie eine
bestimmte Energie (bei Quecksilber ca. 4,9 eV, entspricht Übergang vom 61S0- zum 63P1-Niveau)
besitzen, beim Stoß mit den Atomen des Füllgases kinetische Energie, bei Quecksilber eben diese 4,9 eV,
abgeben können. Das getroffene Atom wird bei diesem unelastischen Stoß angeregt, d. h. im bohrschen
Atommodell nimmt ein Hüllenelektron die abgegebene Energie auf und springt auf ein höheres
Energieniveau. Da dieser Zustand instabil ist, fällt es unter Emission eines Lichtquants kurze Zeit später
zurück in den Grundzustand. Zunächst steigt der Strom, weil das beschleunigende Feld stärker wird und
mehr emittierte Elektronen die Gegenspannung überwinden, die zwischen Gitter und der Auffangplatte
besteht (1). Dabei erfolgen offensichtlich nur elastische Stöße zwischen den Elektronen und den
Gasteilchen, d. h. es kann keine Energieübertragung vom Elektron auf das Atom erfolgen. Wenn die
Spannung die Elektronen stark genug beschleunigt, führen sie unelastische Stöße mit den Atomen aus
und geben dabei Energie ab (2). Daher sinkt die Zahl der Elektronen mit ausreichender kinetischer
Energie, um das abbremsende Feld zu überwinden. Der gemessene Strom nimmt somit ab. Er sinkt
jedoch nicht wieder bis auf 0 Ampere, weil niemals alle Elektronen mit den Atomen unelastisch
zusammenstoßen. Es gibt immer Elektronen, die zwar (kurz vor dem Gitter) die notwendige Energie zur
quantenhaften Absorption erreichen, dann allerdings wegen der geringen Weglänge zum Gitter keinen
Stoßpartner mehr finden und registriert werden. Beim Erhöhen der Beschleunigungsspannung werden
auch die Elektronen, die beim Stoß Energie abgeben, wieder stark genug weiterbeschleunigt, sodass die
Zahl der Elektronen, die die abbremsende Spannung überwinden, wieder größer wird (3), bis die
beschleunigende Spannung die Elektronen so stark beschleunigt, dass sie ein zweites Mal die
erforderlichen 4,9 eV an ein Gasteilchen abgeben können (4). Nun existiert nicht nur eine Zone
leuchtenden Quecksilbergases, es gibt zwei voneinander getrennte Zonen. Das von den
Quecksilberatomen emittierte Licht (der Energie 4,9 eV) ist mit einer Wellenlänge von ca. 253 nm
allerdings im ultravioletten Bereich und damit nicht sichtbar.
Leuchtschichten: