Physikalisches Grundpraktikum, Versuch 17, FAU Erlangen-Nürnberg
Franck-Hertz-Versuch
Erneuert aus Studiengebühren
Vorbereitung
Elektronenröhren (v.a. Triode) und deren Kennlinien, Glühemission;
elastische und inelastische Stöße von Elektronen an Atomen.
Atommodelle: Thomson, Rutherford, Bohr-Sommerfeld;
Anregung von Atomen, mögliche Übergänge zwischen verschiedenen Energiezuständen.
Einführung:
Im Jahr 1914 berichteten Franck und Hertz über den stufenweisen Energieverlust von Elektronen beim Durchgang durch Quecksilberdampf unter Emission von diskreter elektromagnetischer Strahlung. Der Franck-Hertz-Versuch ist ein klassisches Experiment zum Nachweis der diskreten Energiezustände im Atom, wie sie von Niels Bohr postuliert wurden. In diesem Versuch wird der Franck-Hertz-Effekt sowohl im klassischen Aufbau mit einer mit Quecksilberdampf gefüllten Röhre als auch mit einer Neon-Röhre gemessen, bei der die emittierte Strahlung im sichtbaren Bereich liegt und direkt beobachtet werden kann. In Abbildung 1 sind die Energieniveaus (Termschema) in Quecksilber- und in Neon-Atomen vereinfacht dargestellt.
Abb. 1) Energieniveaus in Hg- (a) und Ne-Atomen (b)
Versuchsaufbau:
Die Messung der Anodenstromkurven der mit Quecksilber bzw. Neon gefüllten Elektronenröhren erfolgt an einem computergestützten Messplatz. Mit Hilfe des Franck-Hertz-Betriebsgeräts werden die notwendigen Spannungen (Heizspannung, Beschleunigungsspannung, Gegenspannung) an die Franck-Hertz-Röhre über ein mehrpoliges Kabel angelegt. Der Anodenstrom wird über ein BNC- Kabel von der Röhre in das Betriebsgerät geführt, wo er verstärkt und digitalisiert wird und an den Computer über ein RS 232-Kabel übertragen wird. Die Temperatur der Hg-Röhre wird durch einen an das Betriebsgerät angeschlossenen Sensor gemessen, und auf die am Computer eingestellte Temperatur eingeregelt. Die Beschaltung der Quecksilberröhre ist schematisch in Abbildung 2 dargestellt.
Abb 2.) Schematische Aufbau der Hg-Röhre: C: indirekt beheizte Kathode; A: gitterförmige Beschleungungselektrode; S: Auffängerelektrode.
Die von der Kathode C emittierten Elektronen werden aufgrund der angelegten
Beschleunigungsspannung U1 zur gitterförmigen Anode A hin beschleunigt. Auf ihrem Weg zur Anode stoßen sie mit Hg-Atomen. In Abhängigkeit von der Elektronenenergie ist der Stoß entweder elastisch oder inelastisch. Der inelastische Stoß ist mit einer Änderung des Atomhüllenzustands (Anregung) verbunden, wobei das Elektron genau die Anregungsenergie an das Atom abgibt.
Jenseits der Anode A befindet sich eine weitere Elektrode, die verglichen mit A auf negativem Potential liegt. Ist die kinetische Energie der Elektronen beim Durchfliegen von A groß genug, um das Gegenfeld zu Überwinden, so werden sie als Anodenstrom IA gemessen, ist ihre Energie zu klein gelangen Sie nicht zur Auffängerelektrode S.
Für die Elektronenstoß-Versuche an Neon Atomen, wird eine Vierelektroden-Röhre verwendet (schematischer Aufbau siehe Abb. 3). Im Gegensatz zur Hg-Röhre, gibt es bei der Ne-Röhre zwei Beschleunigungselektroden A1 und A2, zwischen denen sich wie beim Plattenkondesator ein sehr homogenes elektrisches Feld aufbaut. Weiterhin führt das Vorhandensein der Beschleunigungsanode
A1 dazu, dass fast alle aus der Kathode austretenden Elektronen abgesaugt werden und Raumladungseffekte veringert werden.
Abb. 3: Schematischer Aufbau der Ne-Vierelektrodenröhre; C indirekt geheizte Kathode, A1 und A2 gitterförmige Beschleunigungselektroden, S Auffängerelektrode.
Versuchsdurchführung
Hinweis: Beachten Sie die am Versuch ausliegenden Bedienungsanleitungen!
1. Messen Sie die Anodenstromkurve IA = f(U1) der mit Quecksilber gefüllten Röhre bei drei verschiedenen Temperaturen des Quecksilberdampfs (150°C, 170°C, 190°C). Variieren Sie dabei die Gegenspannung U2 ( 2 V – 4 V) jeweils so, dass Sie eine optimale Kurve erhalten.
Wählen Sie dazu am Betriebsgerät die Funktion 'PC' und starten Sie am PC das Programm 'Franck-Hertz-Versuch'. Der Temperaturregler an der Hg-Röhre ist maximal aufzudrehen.
Durch Klicken auf den roten Punkt wird die Messung gestartet: Es öffnet sich ein Dialog- Fenster, in dem Sie die Temperatur und die Gegenspannung U2 eingeben können. Die Heizspannung UH für die Glühemission an der Kathode beträgt 6.3 V und darf nicht geändert werden. Wenn die Röhre die eingegeben Temperatur erreicht hat, kann die Messung gestartet werden und die Beschleunigungsspannung wird von 0 V bis 60 V durchgefahren. Wenn Sie eine geeignete Kurve aufgenommen haben, können Sie unter 'Messauswertung' -> 'Kurvenanalyse' -> 'Extrema berechen' die Maxima und Minima bestimmen lassen und mit 'Ergebnis anzeigen' in Ihre Messung eintragen lassen. Drucken Sie geeignete Messungen aus!
2. Messen Sie die Anodenstromkurve IA = f(U1) der mit Neon gefüllten Röhre; schalten Sie dazu das Betriebsgerät aus, schalten sie den Temperaturregler der Hg-Röhre auf Null, stecken Sie die Neonröhre an das Betriebsgerät an (Spannungsversorgung und Signalkabel), schalten Sie wieder ein und starten Sie das Programm neu. Bedienung erfolgt wie in
Aufgabe 1. Messen Sie für drei verschiedene Steuerspannungen U3 (2.5 V – 3.5 V) und variieren Sie die Gegenspannung U2 (6 V – 8 V) so, dass Sie eine optimale Kurve erhalten.
Die Heizspannung UH für die Glühemission beträgt 8 V und darf nicht geändert werden.
Stellen Sie nun manuell (Am Steuergerät: Function manuell, Spannung am Drehknopf verändern, START/STOP; sollte die Röhre zünden sofort mit START/STOP ausschalten.) diejenigen Werte der Beschleunigungsspannung U1 ein, für die Sie Minima in den
Anodenstromkurve bekommen haben und zeichnen Sie in Ihr Heft wo zwischen den beiden Gittern Leuchterscheinungen in der Röhre zu beobachten sind.
Auswertung
Hg-Röhre3. Bestimmen Sie die Anregungsenergie der Quecksilberatome: Aus den Differenzen der Beschleunigungsspannungen für benachbarte Maxima der Anodenstromkurven
DUi = Ui+1, max – Ui, max erhält man die Anregungsenergien Ea,i in Elektronenvolt. Berechnen Sie den Mittelwert und die Standardabweichung aller Ihrer Anregungsenergien Ea,i .Geben Sie unter Verwendung des Termschemas (Abbildung 1) an, um welchen Übergang es sich bei der Stoßanregung handeln könnte.
4. Berechnen Sie aus der Anregungsenergie die Wellenlänge des vom Quecksilber bei der Abregung abgestrahlten Lichts (Tipp: hc = 1240 eV nm). Führen Sie eine
Fehlerfortpflanzungsrechnung durch, indem Sie als Fehler der Anregungsenergie die oben bestimmte Standardabweichung verwenden. Ist das abgestrahlte Licht sichtbar?
5. Diskutieren Sie welchen Einfluss die Temperatur der Röhre und die angelegte Gegenspannung auf die Anodenstromkurven haben.
Ne-Röhre
6. Bestimmen Sie die Anregungsenergie der Neonatome wie in Aufgabe 3. Verwenden Sie hier jedoch anstelle der Maxima die Minima, da die Maxima eine sehr asymmetrische Form aufweisen. Geben Sie unter Verwendung von Abbildung 1 an zu welchen Energieniveaus die Stoßanregung führt.
7. Berechnen Sie die dieser Anregungsenergie entsprechende Wellenlänge der Strahlung bei der Abregung. Ist diese Strahlung sichtbar? Im Versuch wurde die Emission von rotem Licht (l = 650 -700 nm) beobachtet. Welcher Energiedifferenz entspricht dies? Erklären Sie unter Verwendung von Abbildung 1b) wie es zur Emission von rotem Licht kommt.
8. Erklären Sie das Zustandekommen der Leuchterscheinungen in der Ne-Röhre, insbesondere die Abfolge/Lage von hellen und dunklen Zonen.
