Der Frank-Hertz-Versuch Aufbau des Versuchs Durchführung des Versuchs Beobachtungen Auswertungen und Hintergründe Geschichtliches

Aufbau des Frank-Hertz-Versuchs: In der Röhre befindet sich durch erwärmen verdampftes Quecksilber bei niedrigem Druck (ca. 20mBar)‏ Die Gegenspannung Ugeg beträgt 2V Die Röhre wird durch eine externe Heizung auf Temperatur gehalten (ca. 175 °C) Die Beschleunigungsspannung kann variiert werden, wobei jedoch darauf geachtet werden muss dass es zu keiner Gasentladung zwischen Kathode und Gitter kommen darf (→ Röhre würde zerstört)‏ Dies wird meistens durch einen zu Ub in Reihe geschalteten Widerstand realisiert. Bei der Durchführung werden die Elektronen zunächst von der Kathode weg in Richtung des Gitters beschleunigt. Sie nehmen dabei nach eine gewisse kinetische Energie auf. Bei ausreichend hoher Beschleunigungsspannung haben am Gitter genug Elektronen die Energie, um das elektrische Gegenfeld zu überwinden und auf den Auffänger zu treffen, was als Strom registriert werden kann.

Durchführung des Experiments: Die Beschleunigungsspannung wird erhöht und dabei der Strom gemessen, der zwischen Gitter und Auffänger fließt. Um die Ergebnisse grafisch darzustellen, wird dieser Versuch häufig mit einem elektronischen Frequenzgenerator, der die Beschleunigungsspannung sägezahnförmig erhöht durchgeführt. Dabei wird an die X-Ablenkung des Oszilloskops die Beschleunigungsspannung angelegt, während an der Y-Ablenkung der zu messende Strom angelegt wird (→ Umwandlung Strom->Spannung)‏ Dabei zeigt sich auf dem Bildschirm des Oszilloskops folgende Grafik:

Der Strom steigt zuerst wie bei einer normalen Röhre Beobachtungen: Der Strom steigt zuerst wie bei einer normalen Röhre Bei einer bestimmten Spannung (~ 4,9V) sinkt er schlagartig ab Danach steigt er wieder, bis er bei ~9,8V wieder sinkt Dieser Vorgang wiederholt sich bei jeder Erhöhung der Beschleunigungsspannung um ~4,9V Die Maxima der Stromstärke verlaufen dabei auf einer normalen Röhrenkennlinie In der Röhre ist ein rötliches Leuchten zu sehen An der Kathode zeigt sich ein hellblaues Leuchten Zum Vergleich: Charakteristische Röhrenkennlinie

Auswertung des Frank-Hertz-Versuchs: Im Experiment wird ersichtlich, dass sich der Spannungsabfall periodisch wiederholt. Die Spannungsdifferenz der Beschleunigungsspannung beträgt dabei zwischen zwei Zyklen jeweils ca. 4,9 Volt. Daraus lässt sich folgendes schließen: Bis zu einer Energie von 4,9 Elektronenvolt stoßen die Elektronen, die von der Kathode zum Gitter hin beschleunigt werden, nur elastisch mit den Quecksilberdampfatomen zusammen. Sie geben dabei keine Energie ab, sondern werden lediglich abgelenkt. Bei ungefähr 4,9 Elektronenvolt werden die Stöße unelastisch, die Elektronen geben ihre komplette Bewegungsenergie an die Quecksilberatome ab. Danach werden sie erneut beschleunigt. Bei einer Beschleunigungsspannung von 9,8V haben die Elektronen zwei mal ein Energieniveau von 4,9eV, stoßen also zwei mal unelastisch mit den Quecksilberatomen zusammen. Die Quecksilber werden durch die 4,9eV in einen angeregten Zustand versetzt, Sie strahlen diese Energie dann als ultraviolettes Licht wieder ab. ( Nach beträgt die Wellenlänge bei 4,9eV ca. 253nm )‏

Daraus wiederum folgt nun: Quecksilberatome nehmen nur bestimmte Energien auf Dieser Effekt zeigt sich auch bei anderen Elementen, z.B. Neon Dies wiederum unterstützt das Bohr'sche Atommodell, in dem bereits feste Energieniveaus vorhergesagt wurden. Bei der Erregung bekommt ein Elektron durch den unelastischen Stoß dabei genau so viel Energie, dass es zur nächsthöheren Schale springen kann. Die Leuchterscheinungen an der Kathode und in der Röhre selbst sind auf Gasentladungen zurückzuführen, da sich in der Röhre noch Restluft befindet, die von den Elektronen angeregt wird und so Licht abstrahlt. Würde man das ultraviolette Licht nachweisen, so sähe man sehr klar abgetrennte „Ebenen“ Innerhalb der Röhre. Dieses sind die Ebenen, auf denen die Energie der Elektronen 4,9eV beträgt, in denen sie also mit den Quecksilberatomen unelastisch zusammenstoßen.

Der Frank-Hertz-Versuch, benannt nach seinen Erfindern James Frank Geschichtliches: Der Frank-Hertz-Versuch, benannt nach seinen Erfindern James Frank und Gustav Ludwig Hertz, wurde zuerst in den Jahren 1911 bis 1914 durchgeführt. Beide bekamen für diesen Versuch im Jahre 1952 den Nobelpreis verliehen, da ihr Versuch zum damaligen Zeitpunkt sehr offensichtliche Beweise für die Quantentheorie, insbesondere für die Existenz von diskreten Energieniveaus innerhalb von Atomen lieferte. Gleichzeitig ist er relativ einfach aufgebaut und wird deshalb gerne als Demonstrationsversuch genutzt. Quellen: https://lp.uni-goettingen.de/get/text/1612 http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph12/versuche/10frankherz/franck_hertz.htm http://de.wikipedia.org/wiki/Franck-Hertz-Versuch Simulationen: http://web.phys.ksu.edu/vqm/software/online/vqm/html/FranckHertz.html