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?

Frequenzbereiche der Oszillatoren: IR, Sichtbares Licht, Ultraviolett Technische Schwingkreise Molekül-schwingungen Valenz Elektronen 380 nm Violett 7,9 1014Hz 780 nm rot 3,8 1014Hz Innere Orbitale Kern-reaktionen

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 13 eV genügen für zwei inelastische Stöße, aber die Gegenelektrode wird nicht mehr erreicht nA -10 10 1,5 V Gegen-spannung 13 V 3 V Regelbare Gitter-spannung V 9

Messkurve im Frank-Hertz-Versuch Mit zunehmender Beschleunigungs-spannung U [V] variiert der Strom I [nA] zur Auffängerelektrode: Nach jeder neuen Anregung fällt er wieder ab Quelle: „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 Beschleunigungsspannung 6,5 V wird Strahlung mit λ = 190 nm emittiert (liegt im UV Bereich des Spektrums)

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 von einer s- Schale mit n=6 auf eine benachbarte Schale

Anregung des Hg Atoms durch Elektronen-Stoß mit 6,5 eV 6p 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 (entsteht bei 170°C) 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 e 1,60 10-19 1 C Elementarladung h 6,626 10-34 1 Js Formel-zeichen Wert SI Einheit Anmerkung e 1,60 10-19 1 C Elementarladung h 6,626 10-34 1 Js Plancks Wirkungsquantum me 9,11 10-31 1 kg Masse des Elektrons c 3·108 1 m/s Lichtgeschwindigkeit , Link zum Periodensystem: http://www.chemicool.com/ Link zu Tabellen der Chemie: http://webbook.nist.gov/chemistry/