Fachhochschule Bielefeld Fachbereich Elektrotechnik Praktikum
Werbung
GLT_Fh-vers20_hp.doc 04.08.00 Fachhochschule Bielefeld Fachbereich Elektrotechnik Praktikum Grundlagen der Lasertechnik Kurzanleitung Internet: FRANCK - HERTZ - VERSUCH ZUR ANREGUNG VON QUECKSILBERATOMEN DURCH ELEKTRONENSTOSS Aufgabenstellung : 1.) Der Franck-Hertz-Versuch soll mit Hilfe eines Rechners durchgeführt werden. Dabei sollen die ersten 5 Maxima und Minima des Strom - Spannungsverlaufs einer Franck-Hertz-Röhre rechnergestützt registriert werden und daraus die entsprechende Anregungsenergie für Hg und Ne bestimmt werden. Berechnen Sie die Energie bzw. Wellenlänge der begleitenden UV-Strahlung. Führen Sie für Ihr Ergebnis eine Fehlerabschätzung durch. FB02 1 PRAKTIKUM – Grundlagen der Lasertechnik – TEIL I Prof.Dr.Schmiedl Literaturliste FINKELNBURG, W. Einführung in die Atomphysik POHL, R.W. Einführung in die Physik, (Bd.3:Optik und Atomphysik), Springer Verlag, Berlin 1967 KUCHLING, H. Taschenbuch der Physik Harri Deutsch Verlag, Thun und Frankfurt / Main 1985 DOBRINSKI / KRAKAU / VOGEL Physik für Ingenieure B.G.Teubner Verlag, Stuttgart 1984 WEGNER, O. Physik - Skriptum WEGNER, O. Spezielle Meßtechnik - Skriptum PHYWE (beim Experiment) Bedienungsanleitung für das Franck-Hertz-Rohr, PHYWE AG, Göttingen 1975 CONTACT (beim Experiment) Zeitschrift der Leybold Didactic GMBH, Februar 1990 BRAUCH / DREYER / HAACKE Mathematik für Ingenieure (S.680ff), B.G.Teubner Verlag, Stuttgart 1985 FB02 2 PRAKTIKUM – Grundlagen der Lasertechnik – TEIL I Prof.Dr.Schmiedl Physikalische Grundlagen J.Franck (geb.1882) und G.Hertz (geb.1887) untersuchten 1913 die Zusammenstöße von Elektronen und Molekülen des Quecksilberdampfes (Franck-Hertz-Versuch). Von ihren Ergebnissen berichteten sie im April 1914 vor der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Sie beobachteten keinen kontinuierlichen, sondern einen stufenweisen Energieverlust beim Durchgang von Elektronen durch Quecksilberdampf. Die Elektronen mußten offensichtlich nur ganz diskrete "Energiepakete" beim Stoß mit den Hg-Atomen verloren und gemäß der Energieerhaltung der Stoßgesetze an die Hg-Atome übertragen haben: − − eschnell + Hg → elangsamer + Hg * Kurze Zeit später konnten Franck und Hertz dann die simultane Emission der ultravioletten Linie bei 253,7 nm nachweisen. Diese Photonenenergie entsprach genau dem Energieverlust der Elektronen, d.h. entsprechende, dem Hg-Atom übertragende Energie durch Beobachtung der * Hg angeregt → Hg Grundzustand + h ⋅ fUV Diese UV-Strahlung tritt nur auf, wenn die Elektronen einen ersten meßbaren Energieverlust erlitten haben. Diese Energie muß aber vorher von den Atomen aufgenommen worden sein, bevor sie wieder abgestrahlt werden kann. Diese Energieaufnahme wird untersucht, indem die Zufuhr elektrischer Energie zur Beschleunigung der Elektronen sehr viel feiner dosiert und geregelt wird als das in einer normalen Gasentladung möglich ist. In einer mit Quecksilberdampf gefüllten. geheizten Röhre (Abb.1) werden die aus der Glühkathode 1 austretenden Elektronen durch eine veränderliche positive Spannung U am Gitter 2 beschleunigt.. Sofern sie genügend kinetische Energie haben, um gegen die etwa 0,5 bis 1 V negative Abb.1 Spannung anzulaufen, gelangen die Elektronen dann durch das Gitter hindurch zum Auffänger 3. Erhöht man nun die Beschleunigungsspannung U von Null an, so stiegt der Auffängerstrom I zunächst an. Nähert man die Spannung jedoch U=4,9 V, so sinkt I plötzlich ab und erreicht bei 4,9 V ein Minimum. Bei weiterer Erhöhung von U steigt auch I wieder an, bis bei Annährung an U = 9,8 V ein erneutes Absinken von I zu beobachten ist. Dies wiederholt sich bei allen ganzzahligen Vielfachen von 4,9V (Abb.2). Bei U = 4,9 V kann das Einsetzen der gleichzeitigen Aussendung von ultraviolettem Licht der Wellenlänge 253nm (f=1,185·1015 Hz) nachgewiesen werden, sofern ein UVdurchlässiger Glaskolben und ein Spektrometer mit UV empfindlichem Detektor ?????. (Was bei der Versuchsanordnung hier nicht der Fall ist). FB02 3 PRAKTIKUM – Grundlagen der Lasertechnik – TEIL I Prof.Dr.Schmiedl Diese Beobachtungen, zum ersten Mal berichtet von J.Franck und G.Hertz, lassen sich nur auf folgende Weise deuten: Ist die Gitterspannung kleiner als 4,9V, so haben die Elektronen auch nur kinetische Energien unter 4,9 eV. Bei Zusammenstößen mit Quecksilberatomen verlieren sie auch keine Energie, da melektron<<mHg. Die Elektronen werden an den Hg-Atomen ohne Energieverlust reflektiert, wie ein Ball an einer Mauer. Die Stöße sind rein elastisch. Bei U = 4,9 V ist am Ende der Beschleunigungsstrecke Kathode-Gitter Wkin = 4,9 eV, nun erfolgen die Zusammenstöße offensichtlich in großer Zahl unelastisch und die Elektronen verlieren ihre Energie an die Elektronenhüllen der Quecksilberatome und können somit nicht mehr gegen die Auffängerspannung anlaufen. Wird U >4,9 V, so erreichen die Abb.2 Elektronen diese kritische kinetische Energie von 4,9 eV schon auf einer kleineren Strecke im elektrischen Feld und haben dann nach einem unelastischen Stoß noch Raum, um wieder Energie aufzunehmen und damit die Auffängerelektrode zu erreichen. Bei U = 9,8 V reicht die nach dem ersten Stoß neu aufgenommene Energie gerade vor dem Ende der Beschleunigungsstrecke zu einem zweiten unelastischen Stoß, d.h. zu einem erneutem Energieverlust an einem Quecksilberatom, oder die beim ersten Stoß übrig gebliebene Energie reicht gerade noch für einen zweiten unelastischen Stoß mit nun totalem Energieverlust, usw, usw. Man stellt also fest, daß die Quecksilberatomhülle nur Energie in ganz bestimmten, diskreten Portionen (Quanten) aufnehmen und sie nur in bestimmten, diskreten Portionen (Photonen) als Lichtwelle mit entsprechender Frequenz wieder abgeben. W = h⋅ f mit: h = 6,625·10-34 Js (Plancksches Wirkumsquantum). Für die beobachtete UV-Strahlung mit f = 1,185·10 15 Hz (λ= 253,65 nm) ergibt sich eine Energie von: W = 6,625 · 1,185·10 15 J = 4,9 eV (1 Joule = 6,2415·1018 eV), was in Übereinstimmung mit dem beobachteten Energieverlust der Elektronen bei 4,9 V Gegenfeldspannung liegt. FB02 4 PRAKTIKUM – Grundlagen der Lasertechnik – TEIL I Prof.Dr.Schmiedl e Volt e Volt metastabil Hg - Atom Wellenlänge in 10 -9 Zuwachs der Atomenergie gegenüber dem Grundzustand Hauptserie m Fehlbetrag am Höchstwert X der Atomenergie niedrigere Energieniveaus Abb.3: Termschema des Quecksilberatoms Die Atomhülle befindet sich im thermischen Gleichgewicht im Zustand niedrigster Energie (Grundzustand). Durch Zufuhr bestimmter diskreter Energiepakete kann sie in einen Zustand höherer Energie (angeregter Zustand) gebracht werden. Bei Rückkehr in den Grundzustand gibt die Atomhülle die Energiedifferenz W in Form eines Lichtquants ab, d.h. sie sendet ein Photon der Energie ∆W=h·f aus. Aufgrund der enorm großen Zahl von Hg-Atomen pro cm3 in der Hg-Röhre führt dieses zu sehr vielen ausgesandten Photonen, was sich auch als eine elektromagnetische Welle der Frequenz f beschreiben und beobachten läßt. Bei spektraler Untersuchung einer Gasentladung, d.h. bei intensiver Energiezufuhr, findet man eine ganze Reihe von verschiedenen Frequenzen, die ausgesendet werden, unter der sich auch die Frequenz aus dem Franck-Hertz-Versuch befindet,. Somit gibt es nicht nur einen einzigen angeregten Zustand, sondern im allgemeinen eine sehr große Anzahl. Die Energien, die die Atomhüllen in den einzelnen Zuständen haben, werden als Energieniveaus bezeichnet. Man stellt sie für jedes Atom in einem bestimmten Schema, dem Termschema (Abb.3), dar. Übergänge zwischen verschiedenen Energiezuständen innerhalb des Termschemas erfolgen durch Absorption oder Emission von Photonen, wobei gelten muß: E2 − E1 = h ⋅ f Der Übergang wird im Termschema durch einen Verbindungspfeil zwischen den beiden Energiezuständen dargestellt. Der Übergang des angeregten Hg-Atoms, der der UV-Linie von 253,7 nm entspricht, ist im Termschema dicker eingezeichnet. Es sind jedoch nicht alle Übergänge zwischen den Energiezuständen erlaubt, weswegen im Termschema des Quecksiberatoms auch nur bestimmte Übergänge eingezeichnet sind. Die genaue Begründung und das Verständnis dazu erfordern eine eingehendere Beschäftigung mit der Quantentheorie ( Quantenmechanik ). FB02 5 PRAKTIKUM – Grundlagen der Lasertechnik – TEIL I Prof.Dr.Schmiedl Fragen zum Versuch: 1) Was sind inelastische Stöße? 2) Welche Erhaltungssätze gelten für Stöße? 2) Was bedeutet der Begriff "Stoßanregung"? 3) Was ist ein Termschema? 4) Was bedeutet der Begriff "Quantenzahl"? 5) Was versteht man unter dem Begriff "Gegenfeld-Methode"? 6) Wie verhält sich ein geladenes Teilchen beim Durchlaufen eines elektrischen Feldes E wenn: a) seine Anfangsrichtung parallel zum E-Feld war? b) seine Anfangsrichtung senkrecht zum E-Feld war? 7) Wieso kann man Energien in der Einheit [eV] ausdrücken? 8) Wieviel [J] sind 1 [eV]? 9) Welche Energie in [eV] hat Licht der Wellenlänge 500 nm? FB02 6 PRAKTIKUM – Grundlagen der Lasertechnik – TEIL I Prof.Dr.Schmiedl
