Franck-Hertz

Adrian Czaplinsky
Franck-Hertz-Versuch
Der Franck-Hertz-Versuch dient der dazu, die Energieaufnahme von Atomen zu untersuchen. Dazu
werden Elektronen in einem elektrischen Feld beschleunigt. In dem Versuchsaufbau von J. Franck
und G. Hertz werden Elektronen mit einer durch die Beschleunigungsspannung UB bestimmten
Energie von 0eV-80eV verwendet. In dem Versuchsaufbau geben die beschleunigten Elektronen
Anteile ihrer kinetischen Energie an Gasatome ab.
Versuchsanordnung
In der, mit einem Gas fester Temperatur
(hier z.B. Quecksilber)gefüllten Röhre
werden Elektronen im E-Feld zwischen
Kathode und Gitter mit der Spannung
UA/B beschleunigt. Ihre kinetische Energie
nimmt mit der Beschleunigungsstrecke d
zu. Wenn einem Elektron ausreichend
Energie hinzugefügt wurde gibt es diese
in einem Stoßprozess an ein Gasatom ab.
Im Bereich der Wechselwirkung entsteht
eine räumlich begrenzte
Leuchterscheinung.
Beobachtung: Neon
Bei der Durchführung des Versuches mit Neongas entsteht bei
ca. 20V (19V im Schulexperiment) ein Leuchtstreifen, der mit
zunehmender Beschleunigungsspannung UB zur Kathode
wandert. Ab ca. 40V entsteht ein zweiter, gleichartiger
Leuchtstreifen, der ebenfalls in Richtung Kathode wandert, den
ersten jedoch nicht berührt. Diese Beobachtung wiederholt sich
bei 80V. Es kommt zu einer Schichtung der
Leuchterscheinungen.
Erklärung: Neon
Die Elektonen erhalten durch ihre Beschleunigung die kinetische
Energie Ekin=eUB. Bei ca. 20eV ist die hinzugefügte Energie groß
genug, sodass es zu einem inelastischen Stoß mit einem
Neonatom kommt, bei dem das Elektron Energie an das Atom
abgibt, welches dadurch angeregt wird und die hinzugefügte Energie in Form von Licht emmitiert. Je
größer UB, desto eher besitzen die Elektronen die notwendige Energieportion zur Anregung eines
Adrian Czaplinsky
Atoms, was zur Verschiebung der Leuchterscheinung hin zur Kathode führt. Die
Beschleunigungspannung ist bei ca. 40V so groß, dass den Elektronen im Elektrischen Feld der Röhre,
der Stärke E =
𝑈
𝑑
zweimal die für eine Anregung nötige Energie hinzugefügt wird. Die beobachtete
Schichtung (siehe Bild) entsteht.
Zur Überprüfung der Ergebnisse wird der beschriebene Versuch mit einem anderen Füllgas, in
diesem Fall Quecksilberdampf, durchgeführt. Dieser Versuchsaufbau erfordert jedoch einen leicht
veränderten Aufbau, da Quecksilberatome bei Anregung durch Elektronen keine sichtbaren
Leuchterscheinungen zeigen. Daher wird mit Hilfe einer Gegenspannung vom 1V/1,5V die kinetische
Energie der, durch das Gitter gehenden Elektronen gemessen. (Vgl. lichtelektrischer Effekt/
h-Bestimmung). Zuzüglich wird der Versuchsaufbau, d.h. das Quecksilber auf ca. 180°C-200°C
erwärmt, damit das Quecksilber verdampft. Die Temperatur muss in etwa konstant bleiben, da die
Atome sonst bereits in Voraus verschiedene Energiemengen besäßen, was zu einer Verfälschung der
Messergebnisse führen würde.
Beobachtung: Quecksilber
Die Elektronen werden mit einer Beschleunigungsspannung UB von 0V-30V beschleunigt, dabei wird
der Strom IA gemessen und in ein IA /UB-Diagramm aufgetragen.
Bei steigender Beschleunigungsspannung lässt sich zunächst ein Ansteigen des Anodenstroms
beobachten. Danach fällt er jedoch wieder, obwohl die Beschleunigungsspannung weiterhin steigt.
Dieser Vorgang wiederholt sich, wobei sich im Graph augenscheinlich relative Maxima und Minima
ausbilden. Der gemessene Strom fällt dabei jedoch nicht wieder auf 0A.
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Erklärung: Quecksilber
Bei kleinem UB geben die Elektronen noch keine Energie an die Gasatome ab, da sie noch nicht die
nötige Energie zur Anregung besitzen. Ihre kinetische Energie ist daher groß genug die
Gegenspannung zu überwinden und die Anode zu erreichen. Bei steigendem UB steigt die Energie der
Elektronen, allerdings erreichen weniger Elektronen die Anode, das sie ein Quecksilberatom angeregt
haben und nun nicht mehr genug Energie besitzen um die Gegenspannung zu überwinden. Sie fallen
zur Gitterelektrode zurück. Dieser Vorgang wiederholt sich in Abständen von 4,9V, was sich aus dem
Abstand der Maxima ergibt. Dabei wird der gemessene Strom nie 0A, da nicht alle Elektronen nach
durchlaufen der Beschleunigungsspannung die gleiche Energie haben. In einem idealen Aufbau
würde der Graph scharf abgehackte Maxima/Minima zeigen. (Vgl. Metzler Abb. 408.1)
Im Fall von Quecksilber kann ein Atom also nur mit der diskreten Energieportion von 4.9eV
(ca.7,85*10-19J) angeregt werden. Das Phänomen, dass nur bestimmte Energiebeträge von den
Atomen absorbiert werden können lässt sich allgemein beobachten und führt zu der These der
Quantenhaften Absorption.
Atome absorbieren nur bestimmte Energiebeträge. Diese sind charakteristisch für das
jeweilige Atom.
Es lässt sich jedoch beobachten, dass einige Elektronen vor dem Stoß eine höhere Energie, die bis
über die, zur Ionisation nötige Energie, hinausgeht. In diesem Fall kann das Atom eine beliebige
Energiemenge absorbieren. Im Fall von Quecksilber also ≥ 4,9eV.