Franck-Hertz-Versuch
Physik
Basiswissen
Energiequantelung in der Elektronenhülle: der Franck-Hertz-Versuch wurde erstmals in den Jahren 1911 bis 1914 von James Franck und Gustav Hertz durchgeführt und stützte den Gedanken diskreter (gequantelter) Energieniveaus in Atomen. Dieser Befund stärkte damit das damals noch junge Bohrsche Atommodell.
Grundgedanke des Franck-Hertz-Versuches
Gasatome können Energie aufnehmen und damit ihre eigene Geschwindigkeit verändern. Die aufgenommene Energie liegt dann in Form von kinetischer Energie (Bewegung) vor. Gasatome können Energie aber auch aufnehmen, um in einen angeregten Zustand überzugehen: Elektronen in ihren Schalen wechseln dabei auf ein höheres Energieniveau. Man spricht von einem sogenannten elektronischen Übergang oder einer Anregung des Atoms. Die mit einem solchen Übergang umgesetzte Energie verändert nicht die Geschwindigkeit des betroffenen Gasatoms. Mit dem Franck-Hertz-Versuch wurden zwei Dinge gezeigt: a) Man kann Gasatome durch Zusammenstöße mit Elektronen anregen (Elektronen-Sprung). b) Werden sie angeregt, geschieht dies nicht fließend mit beliebig klein veränderbaren Energiemengen sondern immer nur in Energiepaketen konstanter Größe. Die Anregung erfolgt gequantelt. Dieser Befund war zur Zeit des Experiments nicht selbstverständlich.
Aufbau des Franck-Hertz-Versuches
In einem horizontal liegenden Glaskolben befindet sich ein dünnes Gas. Üblich sind Quecksilberdampf oder Neon bei etwa 10 bis 20 Millibar (10 bis 20 tausendstel bar). An einer Seite, meist links dargestellt, befindet sich eine Metallplatte, die Glühkathode K. Richtung Mitte des Kolbens, einige Zentimeter von der Glühkathode entfernt, befindet sich ein Gitter G. Es hat gegenüber der Kathode K ein positives Potential von einigen wenigen Volt. Am Ende gegenüber der Glühkathode K, direkt hinter dem Gitter, liegt eine weitere Metallplatte, die Auffanganode A. Sie hat ein leicht negatives Potential gegenüber dem Gitter K von vielleicht etwa einem Volt.
Zweck des Aufbaus
- Durch Erhitzung der Glühkathode treten aus dieser dann freie Elektronen aus.
- Diese werden von dem positiven Potential des Gitters G angezogen.
- Auf dem Weg zwischen Kathode K und Gitter G sollen sie mit Gasatomen zusammenstoßen.
- Letzendlich erreichen Sie das Gitter K. Manche werden vom Gitter geschluckt.
- Manche Elektronen durchfliegen das Gitter und fliegen dann weiter Richtung Anode A.
- Da das Gitter G aber stärker positiv ist als die Anode A, werden sie Richtung Gitter gezogen.
- Manche Elektronen landen deshalb am Ende doch wieder auf dem Gitter, andere erreichen die Anode A.
- Die Elektronen, die die Anode A erreichen, können als sehr kleiner Stromfluß mit einem Amperemeter gemessen werden.
- Die Höhe des Potentialunterschiedes (Spannung U) zwischen Gitterplatte G und Anode A ist regelbar.
Durchführung des Franck-Hertz-Versuches
- Die Kathode K wird aufgeheizt, dadurch treten langsame Elektronen aus ihr aus.
- Zwischen der Kathode K und dem Lochgitter G wird die sogenannte Beschleunigungsspannung Ub eingestellt.
- Die Kathode K ist dabei negativ gegenüber dem Gitter G. Die Kathode stößt die Elektroden ab, das Gitter zieht sie an.
- Gleichzeitig liegt eine Gegenpannung Ug zwischen dem Gitter G und der Auffanganode A an. Sie bremst Elektronen ab.
- Für den Versuch wird nun die Beschleunigungsspannung langsam erhöht.
- Man beobachtet dann den Stromfluß (Elektronfluß) an der Anode A.
Beobachtung am Franck-Hertz-Versuch
- Überschreitet die Beschleunigungsspanung Ub den Betrag der Gegenspannung Ug wird erstmals ein Stromfluß an A gemessen.
- Dieser Strom steigt dann weiter an, wenn die Beschleunigungsspanung weiter erhöht wird.
- Ab einem bestimmten Spannungswert fällt er dann plötzlich ab auf einen deutlich kleineren Wert.
- Erhöht man dann die Beschleunigungsspannung Ub weiter, steigt der Anodenstrom wieder an.
- Ab einer bestimmten Beschleunigungsspannung fällt er dann wieder steil ab.
- Der Abfall ist nicht ganz so tief wie beim ersten Mal aber immer noch deutlich.
- Dieser zweite Spannungsabfall passiert etwa 4,9 Volt über dem ersten Spannungsabfall.
- Erhöht man die Spannung weiter, wird sich dieses Verhalten in guter Näherung fortsetzen:
- Immer, wenn man die Beschleunigungsspanung um etwa 4,9 Volt erhöht, fällt der Anodenstrom deutlich ab.
Deutung: Es kommt zu einer Stoßionisation
Neben der Bestätigung, dass die Energiezustände in Atomen als Ganzem auch der Quantelung der Energie unterliegen, zeigte der Versuch darüberhinaus noch, dass Atome durch Stöße von zum Beispiel Elektronen angeregt werden können. Vorher dachte man, dass das möglicherweise nur durch Lichtquanten geschehen könne. Man spricht von einer Stoßionisation ↗
Deutung: elastische und inelastische Stöße
Von Quecksilberatomen weiß man, dass sie für eine Anregung in den ersten Anregungszustand eine Energie von mindestens 4,9 Elektronenvolt (eV) benötigen. Beschießt man solche Atome nun mit Elektronen, deren kinetische Energie (pro Elektron) weniger als 4,9 eV beträgt, dann kann kein Quecksilberatom diese kinetische Energie in sich aufnehmen, das heißt: nicht angeregt werden. Die Energie eines Elektrons kann sich dann nach den Gesetzen eines vollkommen elastischen Stoßes nur als kinetische Energie zwischen den beteiligten Elektronen und Atomen verteilen. Kein Quecksilberatom kann also angeregt werden und nach der Anregung zum Beispiel Lichtquanten aussenden. Beträgt die Energie der einzelnen Elektronen aber mehr als 4,9 eV, dann kann bei einem Stoß ein Teil der Energie in das Quecksilberatom hineingehen und es anregen: ein Elektron im Atom wechselt auf eine höhere Bahn. Der Stoß ist nun teilweise inelastisch, das heißt, der Stoß nimmt Energie auf, die als kinetische Energie verloren geht. Das Quecksilberatom wird angeregt und geht kurz darauf wieder in den Grundzustand zurück. Dabei sendet er ein Lichtquant (Photon) aus. Die Frequenz des ausgesandten Quants liegt bei 1,18 mal 10 hoch 15 Hertz.
Ideale und reale Gase
In der sogenannten kinetischen Gastheorie betrachtet man Gasteilchen als kleine Kügelchen, die sich bei einer Kollision vollkommen elastisch verhalten. Elastisch heißt, dass sie vor und nach der Kollision zusammengenommen dieselbe kinetische Energie haben wie vor dem Stoß. Die kinetische Energie wird damit nicht umgewandelt in zum Beispiel Verformungsenergie oder Wärme. Bei der Anregung eines Atoms bei einer Kollision gilt das nicht mehr: ein Teil der kinetischen Energie der Stoßpartner wird in Anregungsenergie umgewandelt und geht damit als kinetische Energie verloren[3, Seite 229]. Ein solches Gas ist dann auch nicht mehr ideal sondern ein reales Gas ↗
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Typische Daten mit Quecksilberatomen[4]
- In der Glasröhre befinden sich als Gas Quecksilberatome.
- Bei einer Beschleunigungsspannung von 4,9 Volt fällt die Stromstärke erstmals steil ab.
- 4,9 Elektronenvolt ist die Anregungsenergie für die Quecksilberatome.
- Das Elektron fällt ohne Zwischenstufen auf sein Anfangsniveau zurück.
- Bei jedem natürlichzahligen Vielfachen von 4,9 Volt wiederholt sich der Spannungsabfall
- Die Frequenz der abgestrahlen Photonen liegt bei 1,18 mal 10 hoch 15 Hertz.
- Das abgestrahlte Licht ist für Menschen unsichtbare UV-Strahlung ↗
Typische Daten mit Neonatomen
- In der Glasröhre befinden sich Neonatome.
- Bei einer Beschleunigungsspannung von 18,4 Volt fällt die Stromstärke erstmals steil ab.
- 18,4 Elektronenvolt ist die Anregungsenergie für die Neonatome.
- Das Elektron fällt mit Zwischenstufen auf sein Anfangsniveau zurück.
- Die erste Zwischenstufe liegt 2,5 Elektronenvolt tiefer.
- Das entsprechend ausgesandte Quant ist sichtbar.
- Es erscheint uns als orange bis gelbes Licht.
Original-Literatur
- [1] J. Franck und G. Hertz: Über Zusammenstöße zwischen Elektronen und den Molekülen des Quecksilberdampfes und die Ionisierungsspannung desselben. 1914: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/phbl.19670230702
- [2] J. Franck, P. Jordan: Anregung von Quantensprüngen durch Stöße. Springer, Berlin 1926. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-99593-4_7
- [3] Richart T. Weidner; Robert Sells: Elementare moderne Physik. Verlag Friedrich Vieweg & Sohn, Ausgabe von 1982. ISBN: 3-528-8415-4. Siehe auch Elementare moderne Physik ↗
- [4] Oskar Höfling: Physik. Lehrbuch für Unterricht und Selbststudium. Fünfzehnte Auflage. 1994. ISBN: 3-427-41045-5. Siehe auch der Höfling ↗
