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

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Y

Yaris Nimmerfroh

26.2.2022

Physik

Franck-Hertz-Versuch

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Einblick in das weltbild der quantenphysik

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Nicht-lokalität, delayed-choice-experiment

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

Der Franck-Hertz-Versuch ist ein fundamentaler quantenphysikalischer Versuch, der die diskrete Energieaufnahme von Atomen nachweist. Die Elektronen stoßen mit Quecksilberatomen zusammen und übertragen dabei Energie in diskreten Portionen.

• Der Aufbau besteht aus einer Glühkathode, einem Gitter und einer Auffängerplatte in einer mit Quecksilberdampf gefüllten Röhre

• Die charakteristische Franck-Hertz-Kurve zeigt periodische Maxima und Minima der Stromstärke bei Erhöhung der Beschleunigungsspannung

• Bei einer Beschleunigungsspannung von 4,9V erfolgt die erste Energieübertragung auf die Quecksilberatome

• Die entstehenden Leuchterscheinungen sind ein sichtbarer Beweis für die Energieabgabe der angeregten Quecksilberatome

...

26.2.2022

2657

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

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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 eVeV - 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.

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

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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 Stromsta¨rkeIStromstärke 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.

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

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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.

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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.

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

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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−BereichUV-Bereich.

Formula: λ = h⋅ch·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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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

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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.

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•

2.657

•

26. Feb. 2022

•

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

Y

Yaris Nimmerfroh

@yarisnimmerfroh_nees

Der Franck-Hertz-Versuch ist ein fundamentaler quantenphysikalischer Versuch, der die diskrete Energieaufnahme von Atomen nachweist. Die Elektronen stoßen mit Quecksilberatomen zusammen und übertragen dabei Energie in diskreten Portionen.

• Der Aufbaubesteht aus einer Glühkathode, einem Gitter und einer Auffängerplatte in... Mehr anzeigen

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

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  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

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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−BereichUV-Bereich.

Formula: λ = h⋅ch·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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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.

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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 AnodeAnode: 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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Die App ist sehr leicht und gut gestaltet. Habe bis jetzt alles gefunden, nachdem ich gesucht habe und aus den Präsentationen echt viel lernen können! Die App werde ich auf jeden Fall für eine Klassenarbeit verwenden! Und als eigene Inspiration hilft sie natürlich auch sehr.

Stefan S

iOS user

Diese App ist wirklich echt super. Es gibt so viele Lernzettel und Hilfen, […]. Mein Problemfach ist zum Beispiel Französisch und die App hat mega viel Auswahl für Hilfe. Dank dieser App habe ich mich in Französisch verbessert. Ich würde diese jedem weiterempfehlen.

Samantha Klich

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Wow ich bin wirklich komplett baff. Habe die App nur mal so ausprobiert, weil ich es schon oft in der Werbung gesehen habe und war absolut geschockt. Diese App ist DIE HILFE, die man sich für die Schule wünscht und vor allem werden so viele Sachen angeboten, wie z.B. Ausarbeitungen und Merkblätter, welche mir persönlich SEHR weitergeholfen haben.

Anna

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Ich finde Knowunity so grandios. Ich lerne wirklich für alles damit. Es gibt so viele verschiedene Lernzettel, die sehr gut erklärt sind!

Jana V

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Ich liebe diese App sie hilft mir vor jeder Arbeit kann Aufgaben kontrollieren sowie lösen und ist wirklich vielfältig verwendbar. Man kann mit diesem Fuchs auch normal reden so wie Probleme im echten Leben besprechen und er hilft einem. Wirklich sehr gut diese App kann ich nur weiter empfehlen, gerade für Menschen die etwas länger brauchen etwas zu verstehen!

Lena M

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Ich finde Knowunity ist eine super App. Für die Schule ist sie ideal , wegen den Lernzetteln, Quizen und dem AI. Das gute an AI ist , dass er nicht direkt nur die Lösung ausspuckt sondern einen Weg zeigt wie man darauf kommt. Manchmal gibt er einem auch nur einen Tipp damit man selbst darauf kommt . Mir hilft Knowunity persönlich sehr viel und ich kann sie nur weiterempfehlen ☺️

Timo S

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Sudenaz Ocak

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Diese App hat mich echt verbessert! In der Schule war ich richtig schlecht in Mathe und dank der App kann ich besser Mathe! Ich bin so dankbar, dass ihr die App gemacht habt.

Greenlight Bonnie

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Julia S

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Also die App hat mir echt in super vielen Fächern geholfen! Ich hatte in der Mathe Arbeit davor eine 3+ und habe nur durch den School GPT und die Lernzettek auf der App eine 1-3 in Mathe geschafft…Ich bin Mega glücklich darüber also ja wircklich eine super App zum lernen und es spart sehr viel Heit dass man mehr Freizeit hat!

Marcus B

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Mit dieser App hab ich bessere Noten bekommen. Bessere Lernzettel gekriegt. Ich habe die App benutzt, als ich die Fächer nicht ganz verstanden habe,diese App ist ein würcklich GameChanger für die Schule, Hausaufgaben

Sarah L

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Hatte noch nie so viel Spaß beim Lernen und der School Bot macht super Aufschriebe die man Herunterladen kann total Übersichtlich und Lehreich. Bin begeistert.

Hans T

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