Atomphysik

Atomarer Energieaustausch

FRANCK-HERTZ-Versuch

  • Warum leuchten Gase in verschiedenen Farben?
  • Wie stoßen Atome miteinander?
  • Was versteht man unter einem Quantensprung?

FRANCK-HERTZ-Versuch

Der Franck-Hertz-Versuch wurde erstmals in den Jahren 1911 bis 1914 von James Franck und Gustav Hertz durchgeführt und belegt die Existenz von diskreten Energieniveaus in Atomen. Dieser Befund stützte das bohrsche Atommodell und trug zur Fortentwicklung der Quantenmechanik bei. Den Experimentatoren wurde für diesen Versuch im Jahr 1925 der Nobelpreis für Physik verliehen.

Aufbau und Durchführung

Skizze

Einstellung des richigen Dampfdrucks

Zunächst stellt man durch geeignete Ofentemperatur in der Röhre den richtigen Dampfdruck für Quecksilber her (ca. \(20\rm{hPa}\)). Dies ist notwendig, damit den Elektronen genau die richtige Anzahl an Stoßpartnern angeboten wird, sind es zu wenig, ist die Wahrscheinlichkeit eines Stoßes zu gering und die Elektronen verlieren durch unelastische Stöße zu selten Energie. Sind es zu viele, so sind die Zahl der elastischen Stöße zu groß und die Elektronen werden zu viel im Raum gestreut.

Regelung der Beschleunigungsspannung und Beobachtung des Auffängerstroms

Man regelt langsam und gleichmäßig die Beschleunigungsspannung hoch und beobachtet den Auffängerstrom. Das Ergebnis zeigt die untenstehende Grafik.

In der folgenden Animation ist das "Durchfahren" der \(U_{\rm{B}}\)-\(I_{\rm{a}}\)-Kurve dynamisch dargestellt:

FRANCK-HERTZ-Versuch (Animation)

Im Versuch stoßen durch ein elektrisches Feld beschleunigte Elektronen mit Atomen zusammen und geben dabei, allerdings nur wenn sie energiereich genug sind, Energie ab. Gemessen wurde der Strom an Elektronen, die noch energiereich genug zum Erreichen einer Anode waren, in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung. Ergänzt durch spektroskopische Untersuchungen des von den angeregten Atomen ausgesendeten Lichtes zeigt der Versuch, dass in Atomen Energieaufnahme und -abgabe nur in Form diskreter Energiepakete (Quanten) erfolgt.

Erklärung

Die beschleunigten Elektronen stoßen auf zwei Arten mit den Hg-Atomen zusammen:

  • Elastische Stöße, bei denen das Elektron praktisch keine Energie verliert, so dass es im Regelfall genügend Energie besitzt um die kleine Gegenspannung zum Auffänger zu überwinden.

  • Inelastische Stöße, bei denen das Elektron genau die Anregungsenergie des Hg-Atoms abgibt. Hinterher reicht die Restenergie des Elektrons nicht mehr aus um zum Auffänger zu gelangen, wenn die Beschleunigungsenergie nur knapp über der Anregungsenergie (oder einem Vielfachen davon) war. Je nach Beschleunigungsspannung wandern die Anregungszonen (siehe Skizzen unter dem Diagramm) vom Gitter hin zur Kathode. Ist die letzte Anregungszone in der Nähe des Gitters sinkt der Auffängerstrom ab.

  • Deutung im Detail:

    • Bereich I:

      Mit wachsender Beschleunigungsspannung \(U_{\rm{B}}\) erreichen pro Zeiteinheit immer mehr Elektronen die Anode und besitzen genügend Energie, um durch das Gegenfeld zum Auffänger zu gelangen. Die Elektronen stoßen auf ihrem Weg zwar mit Quecksilberatomen, die Stöße sind aber elastisch, so dass die Elektronen wegen der großen Masse ihrer Stoßpartner keine Energie verlieren.

    • Bereich II:

      Haben die Elektronen eine bestimmte kinetische Energie erreicht, so nimmt die Anzahl der Elektronen, die in der Zeiteinheit zum Auffänger gelangen, stark ab. Ein Teil der Elektronen hat offensichtlich nicht mehr genügend Energie, um das Gegenfeld zu durchlaufen. Dies kommt dadurch zustande, dass ein solches Elektron nun in der Lage ist, ein Quecksilberatom, mit dem es in Wechselwirkung getreten ist, auf den nächsthöheren Energiezustand zu heben, dabei aber seine gesamte kinetische Energie verliert. Da diese Elektronen offensichtlich keine Energie mehr aufnehmen, muss die Zone, in der diese inelastischen Stöße stattfinden, unmittelbar vor dem Gitter liegen.

    • Bereich III:

      Steigert man die Beschleunigungsspannung \(U_{\rm{B}}\), so verlagert sich die Zone unelastischer Stöße (Anregungszone) in Richtung zur Kathode hin, die stoßenden Elektronen erreichen bis zur Anode wieder genügend Energie, um zum Auffänger zu gelangen, aber nicht genügend, um ein weiteres Quecksilberatom anregen zu können. Der Auffängerstrom steigt wieder an.

    • Bereich IV:

      Der zweite Abfall des Auffängerstroms tritt ein, wenn die unelastischen Stöße etwa in der Mitte zwischen Kathode und Gitter erfolgen und die Elektronen unmittelbar vor der Anode wieder genügend Energie besitzen, um eine zweite Anregung durchzuführen. . . .

    • Ergänzung:

      Bei der Einstrahlung von Licht kann ein Atom nur dann vom Grundzustand mit der Energie \(E_1\) in den angeregten Zustand mit der Energie \(E_2\) übergehen, wenn ein Lichtquant exakt die Energie \(h \cdot f = E_2 - E_1\) hat. Im Unterschied dazu kann ein Atom auch durch Stoß von Elektronen mit der Energie \(E_{\rm{kin}} > E_2 - E_1\) angeregt werden. Die restliche Energie behalten die Elektronen dann als kinetische Energie.

Lichterscheinung

Hätte man ultraviolett-empfindliche Augen, so könnte man die Anregungszonen genau sehen. Da wir aber mit solchen Augen nicht ausgerüstet sind, kann man diese UV-Strahlung nur mit entsprechenden Nachweisgeräten, wie Fotozelle oder UV-Filmen nachweisen. Die UV-Strahlung hat eine Quantenenergie von \(4,9\rm{eV}\).

FRANCK HERTZ Versuch

Bernd Huhn hat mit Hilfe einer Web-Kamera (Logitech) bei völlig abgedunkeltem Raum die Röhre beobachtet und dabei die Leuchterscheinungen gut beobachtet. Freundlicherweise hat er uns dieses Video zur Verfügung gestellt

Etwas komfortabler lässt sich der FRANCK-HERTZ-Versuch mit einem x-y-Schreiber bzw. mit dem Oszilloskop durchführen.

Aufnahme des Stroms mit dem x-y-Schreiber

Aufbau

Ergebnis

Verwendung des Oszilloskops

Aufbau

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