Funktionsweise des Franck-Hertz-Versuchs

Der Franck-Hertz-Versuch funktioniert wie folgt:

1. Elektronen werden durch den glühelektrischen Effekt aus der Kathode gelöst.
2. Die Beschleunigungsspannung UB beschleunigt die Elektronen zum Gitter.
3. Elektronen stoßen mit Quecksilber-Atomen zusammen.
4. Nur Elektronen mit ausreichend Energie überwinden die Gegenspannung und erreichen die Anode.

Definition: Elektronenvolt (eV) - Energieeinheit, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Spannung von 1 Volt gewinnt

Example: Bei UB = 10 V haben die Elektronen am Ende der Beschleunigungsstrecke eine kinetische Energie von 10 eV.

Durchführung des Franck-Hertz-Versuchs

Die Durchführung des Franck-Hertz-Versuchs umfasst folgende Schritte:

1. Elektronen werden in Richtung Gitter beschleunigt.
2. Zusammenstöße zwischen Elektronen und Quecksilber-Atomen finden statt.
3. Die Anzahl der Elektronen, die die Anode erreichen, wird gemessen (Stromstärke I).
4. Die Gegenspannung von 1-2 V filtert langsame Elektronen heraus.

Highlight: Nur Elektronen mit einer Energie von mindestens 1-2 eV nach dem Gitter können die Anode erreichen.

Beobachtungen im Franck-Hertz-Versuch

Das Franck-Hertz-Versuch Diagramm zeigt charakteristische Merkmale:

1. Anfänglicher Stromanstieg bis UB = 4,9 V
2. Periodische Maxima der Stromstärke im Abstand von ΔU = 4,9 V
3. Absinken der Stromstärke nach jedem Maximum
4. Erneuter Anstieg der Stromstärke

Highlight: Die Maxima bleiben bei höherer Gegenspannung an den gleichen Stellen, die Kurve flacht jedoch ab.

Example: Bei einer Gegenspannung von 1,5 V sinkt die Stromstärke zwischen den Maxima auf null.

Erklärung des Franck-Hertz-Versuchs

Die Ergebnisse des Franck-Hertz-Versuchs lassen sich wie folgt erklären:

1. Bis 4,9 V: Elastische Stöße zwischen Elektronen und Quecksilber-Atomen ohne wesentliche Energieübertragung.
2. Maximum bei 4,9 V: Elektronen beginnen, Energie an Quecksilber-Atome abzugeben.
3. Ab 5 V: Inelastische Stöße, bei denen Elektronen genau 4,9 eV an Quecksilber-Atome übertragen.

Vocabulary: Inelastischer Stoß - Zusammenstoß, bei dem kinetische Energie in andere Energieformen umgewandelt wird

Highlight: Die Energieübertragung von 4,9 eV führt zur Anregung der Quecksilber-Atome, die anschließend Licht emittieren.

Leuchterscheinungen im Franck-Hertz-Versuch

Der Franck-Hertz-Versuch zeigt charakteristische Leuchterscheinungen:

• Eine Absorptionsschicht bildet sich, wo Elektronen ihre Energie an Quecksilber-Atome abgeben.
• Diese Schicht ist gleichzeitig eine Leuchtschicht, da die angeregten Atome Photonen emittieren.
• Die emittierten Photonen haben eine Wellenlänge von etwa 253 nm (UV-Bereich).

Formula: λ = (h·c) / ΔE, wobei λ die Wellenlänge, h das Plancksche Wirkungsquantum, c die Lichtgeschwindigkeit und ΔE die Energiedifferenz ist.

Highlight: Obwohl die 253 nm-Strahlung nicht sichtbar ist, kann man die Leuchtschicht aufgrund anderer Energieübergänge im Quecksilber-Atom beobachten.

Weiterführende Beobachtungen im Franck-Hertz-Versuch

Bei höheren Beschleunigungsspannungen im Franck-Hertz-Versuch beobachtet man:

• Die Absorptionsschicht wandert bei steigender UB in Richtung Glühkathode.
• Elektronen erreichen die 4,9 eV früher und werden danach erneut beschleunigt.
• Bei UB = 10 V und UG = 1,5 V bilden sich zwei Absorptionsschichten.

Example: Bei UB = 7,5 V und UG = 1,5 V steigt die gemessene Stromstärke wieder an, da Elektronen nach dem ersten Energieverlust erneut beschleunigt werden.

Highlight: Die Orte der Energieabsorption sind gleichzeitig Orte der Energieemission in Form von Photonen.

Abschließende Betrachtungen

Die Beobachtungen bestätigen die Quantennatur der Atomstruktur.

Highlight: Die regelmäßigen Abstände der Maxima beweisen die Existenz diskreter Energieniveaus.

Definition: Die Energieübertragung erfolgt ausschließlich in quantisierten Portionen.

Example: Die sichtbaren Leuchterscheinungen sind direkte Folgen der Energieübergänge im Atom.

Aufbau des Franck-Hertz-Versuchs

Der Franck-Hertz-Versuch besteht aus einer Röhre mit folgenden Komponenten:

• Glühkathode: Emittiert Elektronen durch den glühelektrischen Effekt
• Gitter: Beschleunigt die Elektronen durch eine variable Spannung UB
• Auffängerplatte (Anode): Misst den ankommenden Elektronenstrom
• Quecksilber-Dampf: Dient als Stoßpartner für die Elektronen

Eine Gegenspannung UG zwischen Gitter und Anode filtert langsame Elektronen heraus. Ein Amperemeter misst den Strom an der Anode.

Vocabulary: Glühelektrischer Effekt - Emission von Elektronen aus einem erhitzten Metall

Highlight: Die Beschleunigungsspannung UB kann von 0 bis 500 V variiert werden, um die Elektronenenergie zu steuern.