Der Frank Hertz Versuch und Röntgen-Emission Nachweis der Energieaufnahme in diskreten Schritten

Inhalt Der Frank-Hertz Versuch: Anregung der Atome in diskreten Energie-Schritten Aufbau Versuch Quecksilber-Dampf oder Metall?

Aufbau der Frank-Hertz Röhre nA -10 10 1,5 V Gegen-spannung Regelbare Gitter-spannung V 9

Kathode, Anoden-Gitter und Beschleunigungs-Spannung Die Gitterspannung beschleunigt die von der Glühkathode emittierten Elektronen nA -10 10 1,5 V Gegen-spannung Regelbare Gitter-spannung V 9

Auffänger-Elektrode Die Elektronen fliegen durch das Gitter und treffen auf die Auffänger-Elektrode nA -10 10 1,5 V Gegen-spannung Regelbare Gitter-spannung V 9

Auffänger-Elektrode und Gegenspannung Eine Gegenspannung von 1,5 V bremst die Elektronen vor der Auffänger-Elektrode nA -10 10 1,5 V Gegen-spannung 3 V 3 V Regelbare Gitter-spannung V 9

Elastischer Stoß mit Hg-Atomen Alle Stöße der Elektronen mit Hg Atomen sind elastisch – es geht keine Energie verloren nA -10 10 1,5 V Gegen-spannung 3 V 3 V Regelbare Gitter-spannung V 9

Inelastischer Stoß mit Hg-Atomen Hg Atome werden bei 6,5 eV angeregt: Inelastische Stöße, den Elektronen geht Energie verloren nA -10 10 1,5 V Gegen-spannung 6,5 V 3 V Regelbare Gitter-spannung V 9

Ein inelastischer Stoß mit Hg-Atomen Trotz inelastischer Stöße liegt die 10 eV Energie der Elektronen über der Gegenspannung nA -10 10 1,5 V Gegen-spannung 10 V 3 V Regelbare Gitter-spannung V 9

Zwei inelastische Stöße mit Hg-Atomen Die Energie 13 eV genügt für zwei inelastische Stöße nA -10 10 1,5 V Gegen-spannung 13 V 3 V Regelbare Gitter-spannung V 9

Messkurve im Frank-Hertz-Versuch Aus der „Versuchsanleitung zum Physikalischen Praktikum“

Umrechnung der Wellenlänge zu Energie in eV Einheit 1eV Energie-erhaltung, mit 1nm Wellenlänge λ in nm, U in Volt Bei Anregung mit 6,5 eV wird Strahlung mit λ = 190 nm emittiert

Zum Aufbau von Hg: Das Periodensystem der Elemente Link zum Periodensystem: http://www.chemicool.com/

Aufbau des Hg Atoms Electron configuration: [Xe] 4f14 5d10 6s2 Die im Atom auf den Schalen dicht gepackten Elektronen bilden ein System „gekoppelter Oszillatoren“: es bilden sich Eigenschwingungen mit charakteristischen Symmetrie-Eigenschaften, den Orbital-Formen Wie beim Doppelpendel unterscheiden sich die Eigenschwingungen des Systems nur wenig voneinander – Folge: Die kleine Anregungsenergie auf einer Schale mit n=6

Beispiel: Orbitale im Stickstoff (El. Config. [He] 2s2 2p3 ) Neon (El. Conf.: [He] 2s2 2p6 ) Haupt-quantenzahl Drehimpuls- oder Nebenquantenzahl Orientie-rungs-Quanten-zahl Max. Zahl der Zustände Form der Orbitale N Schale Schale, Orbital Typ Spin 1 K s 2 L p -1 6 In der Valenzschale (n=2, „L-Schale“) von Stickstoff ist das Niveau m=1 unbesetzt, m=0 enthält nur ein Elektron

Anregung des Hg Atoms durch Elektronen-Stoß mit 6,5 eV 1 2 ca. 10-8 s Emission λ=191 nm E1 E2 = E1 + 6,5 eV Für das schwere Quecksilber mit Z=80 ist das Bohr Modell unzureichend, weil die Kopplung der Elektronen untereinander zu neuen Energie-Zuständen führt. Das Bild zeigt qualitativ die Anregung auf der äußersten Schale

Zu wenig Stoß-Anregung bei zu niederem Druck Verbreiterung der Emissionslinien von Hg-Gas durch Kopplung der Atome bei Druck-Erhöhung Zu wenig Stoß-Anregung bei zu niederem Druck 5 10-6 atm 0,5 atm 1 atm Linienverbreiterung durch starke Kopplung zwischen den Elektronen während des Übergangs 10 atm 50 atm 200 atm Kopplung durch Druck erzeugt neben den Linie der freien Atome neue Zustände mit benachbarten Frequenzen Quelle: http://www.lti.uni-karlsruhe.de/rd_download/Plasmastrahlungsquellen_20071207.pdf

Zusammenfassung Der Frank-Hertz Versuch zeigt die Anregung der Atome in diskreten Energie-Schritten Quecksilber-Dampf ist erforderlich, um auf der äußersten Schale einen Übergang mit definierter Energie zu beobachten Bei dichter Packung verbreitern sich die Energie-Niveaus bis zum Kontinuum im Metall

Konstanten 1,60 10-19 1 C Elementarladung 6,626 10-34 1 Js Formel-zeichen Wert SI Einheit Anmerkung e 1,60 10-19 1 C Elementarladung 6,626 10-34 1 Js Plancksches Wirkungsquantum me 9,11 10-31 1 kg Masse des Elektrons RH·c 3,29·1015 1Hz Rydberg-Konstante , Link zum Periodensystem: http://www.chemicool.com/ Link zu Tabellen der Chemie: http://webbook.nist.gov/chemistry/