P115: Frank-Hertz-Versuch

 20.4 Franck-Hertz-Versuch

Was Franck und Hertz 1914 gemessen haben, ist nichts anderes als das Auftauchen der Leuchtstreifen mit Hilfe eines Stromflusses durch das Gas..

James Franck (1882-1964)

 

Gustav Hertz (1887 -1975)

Leuchtringe beim Frank-Hertz-Versuch mit Neongas

 

Nehmen wir einmal an, kurz vor der Anode haben die Elektronen die Energie, die sie zum Anregen der Gasatome brauchen. Dann geben sie diese ab, das Gas leuchtet in diesem Bereich...und den Elektronen fehlt der Schwung, um zur Anode zu kommen.

Wenn man also die Stromstärke in der Röhre misst, gäbe es ein Stromstärkeminimum, wenn der erste Leuchtring entsteht.

Erhöht man dann die Spannung, wandert der Leuchtring von der Anode weg. Die Elektronen gewinnen auf der restlichen Strecke wieder Energie, kommen zur Anode und die Stromstärke steigt, bis sich bei der doppelten Spannung erneut vor der Anode ein Leuchtring bildet und die Stromstärke wieder sinkt.

Lexikon der Physik, Spektrum.de

 

Damit das Absinken der Stromstärke deutlicher wird, haben Franck und Hertz kurz vor der Anode noch ein Drahtgitter angebracht, das leicht negativ aufgeladen wurde, so dass nur die Elektronen durchkommen, die wirklich etwas Energie bekommen haben und nicht gerade alles an die Gasatome abgegeben haben.

Franck-Hertz-Versuch mit Quecksilber und Gegenspannung, leifiphysik

 

Eine sehr ausführliche Darstellung ist in Leifiphysik. Für das Abitur 2021 ist eine nähere Beschäftigung damit aber nicht nötig.

Franck-Hertz-Versuch

 Wir schauen uns aber einmal den Versuchsablauf an:

Die Spannung zwischen Kathode und Bremsgitter (bzw. Anode)wird gleichmäßig erhöht.

Die Stromstärke sinkt immer, wenn ein Leuchtring entsteht.

Und nun müssen wir eingesperrte Elektronen in "echten" Atomen untersuchen. Wir fangen mit Wasserstoff an.

Übungsaufgaben:

1)      Beim Franck-Hertz-Versuch strahlen Quecksilberatome Licht der Wellenlänge 253 nm aus. Welche Beschleunigungsspannung der Elektronen ist dafür mindestens notwendig?

Lösung: Stoßanregung durch Elektronen, die ihre gesamte kinetische Energie abgegeben. Notwendig ist E = h*f = h*c/λ = 7,8*10^-19 J = 4,89 eV. Dazu ist eine Spannung von 4,89 V notwendig (1/2* m*v² = 4,89 eV = e*U)

2)      Wenn der Franck-Hertz-Versuch mit Kaliumdampf durchgeführt wird, beobachtet man die Maxima in der Stromstärkekurve bei einem Spannungsunterschied von 1,63 V. Die beobachtete Strahlung liegt bei 760,6 nm. Bestimme daraus (mit Begründung des Ansatzes) die Plancksche Konstante h.

Lösung: Immer wenn die Elektronen eine Energie von 1,63 eV haben, können Sie eine Strahlung von 760,6 nm anregen:

1,63 eV = h*c/λ, ergibt h = 1,63 eV*λ/c = 6,6*10^-34 Js   Einheitenrechnung machen!!!!

                            eV*m/(m/s) VAs*s