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Einblick in das weltbild der quantenphysik

Franck-Hertz-Versuch einfach erklärt: Aufbau, Neon, Diagramm und mehr

Name: Knowunity
Brand: Knowunity

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Franck-Hertz-Versuch einfach erklärt: Aufbau, Neon, Diagramm und mehr

Yaris Nimmerfroh

@yarisnimmerfroh_nees

10 Follower

Der Franck-Hertz-Versuch ist ein grundlegendes Experiment der Quantenphysik, das die Quantisierung der Energiezustände in Atomen nachweist. Es demonstriert, dass Elektronen nur diskrete Energiemengen an Atome übertragen können.

Elektronen werden von einer Glühkathode emittiert und durch eine Beschleunigungsspannung zu einem Gitter beschleunigt
Die Elektronen stoßen mit Quecksilber-Atomen zusammen und übertragen Energie
Ein Amperemeter misst den Strom an der Auffängerplatte
Charakteristische Maxima und Minima im Strom-Spannungs-Diagramm zeigen die Quantisierung der Energieübertragung

26.2.2022

2414

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.

Franck-Hertz-Versuch
Experiment mit Quecksilber
Auffangerplatte
Gitter
Glühkathode
O
0
1
0
0
C
O
Он бv
(A
12
V
0
Heizspannung
Amperemeter (s

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.

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Funktionsweise des Franck-Hertz-Versuchs

Der Franck-Hertz-Versuch funktioniert wie folgt:

Elektronen werden durch den glühelektrischen Effekt aus der Kathode gelöst.
Die Beschleunigungsspannung UB beschleunigt die Elektronen zum Gitter.
Elektronen stoßen mit Quecksilber-Atomen zusammen.
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.

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Beobachtungen im Franck-Hertz-Versuch

Das Franck-Hertz-Versuch Diagramm zeigt charakteristische Merkmale:

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

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Durchführung des Franck-Hertz-Versuchs

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

Elektronen werden in Richtung Gitter beschleunigt.
Zusammenstöße zwischen Elektronen und Quecksilber-Atomen finden statt.
Die Anzahl der Elektronen, die die Anode erreichen, wird gemessen (Stromstärke I).
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.

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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.

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Erklärung des Franck-Hertz-Versuchs

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

Bis 4,9 V: Elastische Stöße zwischen Elektronen und Quecksilber-Atomen ohne wesentliche Energieübertragung.
Maximum bei 4,9 V: Elektronen beginnen, Energie an Quecksilber-Atome abzugeben.
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.

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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
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Funktionsweise des Franck-Hertz-Versuchs

Der Franck-Hertz-Versuch funktioniert wie folgt:

Elektronen werden durch den glühelektrischen Effekt aus der Kathode gelöst.
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Das Franck-Hertz-Versuch Diagramm zeigt charakteristische Merkmale:

Anfänglicher Stromanstieg bis UB = 4,9 V
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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.

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Maximum bei 4,9 V: Elektronen beginnen, Energie an Quecksilber-Atome abzugeben.
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