Franck-Hertz-Versuch Bestätigung des Bohr schen Atommodells. Stromstärke VORANSICHT. Eine Computersimulation zum Franck-Hertz-Versuch!

Transkript

1 3. Der Franck-Hertz-Versuch 1 von 12 Franck-Hertz-Versuch Bestätigung des Bohr schen Atommodls Matthias Borchardt, Bonn Der Franck-Hertz-Versuch galt Anfang des letzten Jahrhunderts als wichtige Bestätigung des Bohr schen Atommodls. Deshalb wurden die beiden Forscher für ihre experimentlen Arbeiten 1925 mit dem Nobpreis für Physik ausgezeichnet. Die Schüler erschließen sich die Antworten auf Fragen zu diesem berühmten Experiment mithilfe dieses Beitrages, der durch die Verwendung einer Computersimulation besonders anschaulich und handlungsorientiert gestaltet ist. Klasse: 12 Dauer: Ihr Plus: 2 4 Stunden Eine Computersimulation als Arbeitsund Kontrollwerkzeug Die Schüler erleben die Bewegung der Elektronen in einer Franck-Hertz- Röhre in Zeitlupe, was die Erklärung der Stromstärkekurve erleichtert. Stromstärke Stromstärke in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung beim Franck-Hertz-Versuch Eine Computersimulation zum Franck-Hertz-Versuch! Der Beitrag im Überblick Inhalt: Beschleunigungsspannung 4,9 9,8 14,7 V Kennlinie einer Elektronenröhre Aufbau, Durchführung und Ergebnis des Franck-Hertz-Versuchs Erklärung der Franck-Hertz-Kurve mithilfe einer Computersimulation

2 2 von Der Franck-Hertz-Versuch Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Ein zentrales und für die Abiturprüfung revantes Thema im Oberstufen-Lehrplan Der Franck-Hertz-Versuch stlt bei der Behandlung der Atomphysik in der Oberstufe ein zentrales Thema dar. Mithilfe dieses Versuchs lassen sich die quantenhafte Absorption und Emission von Energie bei Atomen nachweisen. Historisch stlte das Experiment eine wichtige Bestätigung der Thesen von Nis Bohr dar nicht umsonst erhiten die Physiker James Franck und Gustav Hertz 1925 den Physik-Nobpreis für ihre Arbeiten. Das Thema, das fester Bestandteil des Oberstufenlehrplans ist, hat große Revanz für die Abiturprüfung. Fachlicher Hintergrund Den Physikern James Franck und Gustav L. Hertz gang 1914 der experimentle Nachweis, dass bewegte Elektronen durch Stöße mit Quecksilberatomen nur diskrete Energien auf diese übertragen können. Damit wurden die Aussagen des Bohr schen Atommodls bestätigt wissenschaftshistorisch ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung moderner Atommodle. Der klassische Versuchsaufbau besteht aus einer Glasröhre, die Quecksilberdampf enthält. Eine Glühwend in der Röhre setzt aufgrund des glühektrischen Effekts Elektronen frei, die mithilfe eines ektrischen Fdes beschleunigt werden, dessen Stärke regbar ist. Erhöht man langsam die Fdstärke, steigt die Stromstärke wie bei der Kennlinie einer Vakuumdiode an. Die Elektronen haben genügend Energie, das schwache Gegenfd zwischen Gitteranode und Gegenektrode zu überwinden. Im weiteren Verlauf stlt man jedoch fest, dass die Stromstärke in regmäßigen Abständen von 4,9 Volt einbricht. Glühkathode Die Franck-Hertz-Röhre Quecksilbergas 0 30V Gitteranode Gegenektrode 1,5 V I Franck und Hertz interpretierten dieses Verhalten folgendermaßen: Einige Elektronen stoßen mit den Quecksilberatomen bzw. mit deren negativ gadenen Elektronenhüllen zusammen. Da die Atome eine wesentlich höhere Masse als die Elektronen besitzen, verlieren diese Elektronen kaum Energie, sondern ändern lediglich ihre Richtung. Erreichen die Elektronen jedoch einen bestimmten Geschwindigkeitswert, wird deren kinetische Energie vollständig auf das Quecksilberatom übertragen, das dadurch in einen angeregten Zustand gerät. Das stoßende Elektron liefert dann nämlich genau die Energie, die notwendig ist, um eines der beiden äußersten Hüllenektronen des Atoms auf eine höhere Bahn zu heben. Da das stoßende Elektron seine gesamte Bewegungsenergie abgegeben hat, ist seine Geschwindigkeit nach dem Stoß gleich null. Es wird nun vom ektrischen Fd erneut beschleunigt. Fand der oben beschriebene Vorgang in der Nähe des Gitters statt, wird das Elektron aufgrund der kleinen Wegstrecke nicht mehr genug Bewegungsenergie aufbauen können, um das Gegenfd zu überwinden die Stromstärke nimmt dadurch ab.

3 3. Der Franck-Hertz-Versuch 3 von 12 Bei weiterer Erhöhung der Beschleunigungsspannung wird sich die Zone der Stöße mit Hg-Atomen vom Gitter weg in Richtung Glühkathode verlagern, denn aufgrund der höheren Spannung erreichen die Elektronen bereits nach einer kürzeren Strecke die Anregungsenergie der Quecksilberatome. Dann kann es sein, dass die abgebremsten Elektronen ein zweites Mal so weit beschleunigt werden, dass eine weitere Zone von Stößen mit Hg-Atomen diesmal wieder in der Nähe des Gitters entsteht, was ein erneutes Zusammenbrechen der Stromstärke bedeutet. Die Quecksilberatome geben ihre Anregungsenergie von 4,9 ev übrigens in Form von Strahlung sehr schnl wieder ab, die im UV-Bereich liegt und deren Wlenlänge sich mithilfe des Ansatzes hf = eu und der Beziehung λ = c f Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts Vertieftes Verständnis mithilfe einer Computersimulation zu 253 nm berechnen lässt. Zur Bearbeitung des Materials M 3 ist es hilfreich, wenn Ihre Schüler bereits grob über Aufbau, Durchführung und die Ergebnisse des Franck-Hertz-Versuchs informiert sind. Zi des Beitrags ist die Wiederholung der wesentlichen Elemente dieses Versuchs und ein vertieftes Verständnis der Elektronenbewegung innerhalb der Franck-Hertz-Röhre. Falls Sie den Versuch noch nicht behandt haben, sollen sich Ihre Schüler den Versuch in Eigenarbeit (Recherche im Physikbuch und Internet) aneignen. Stromstärke Beschleunigungsspannung 4,9 9,8 14,7 V Stromstärke in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung beim Franck-Hertz-Versuch Ein Beitrag mit Computerunterstützung Erfahrungsgemäß tun sich vie Schüler schwer, wenn sie das Zustandekommen der typischen Strom-Spannungs-Kurve beim Franck-Hertz-Versuch detailliert erklären sollen. Die physikalischen Zusammenhänge sind komplex und daher stlt eine Computersimulation als fester Bestandteil des Beitrags ein wichtiges Werkzeug dar, um die Vorgänge im Detail zu verstehen. Die Simulation ist in der Lage, die Abläufe extrem zu verlangsamen und auf das Wesentliche zu reduzieren. Die räumliche Verteilung und die Geschwindigkeiten der Elektronen werden sichtbar gemacht, und das Absinken der Stromstärkekurve erscheint als logische Konsequenz der Absorption von Bewegungsenergie der Elektronen durch die Quecksilberatome. Das Material thematisiert die Physik der Elektronenbewegung in einer Franck-Hertz-Röhre recht kleinschrittig und fällt daher umfangreich aus. Sie sollten Ihren Schülern für die Bearbeitung genügend Zeit geben und etwa drei Schulstunden veranschlagen. Lassen Sie Ihre Schüler die Aufgaben in Partnerarbeit lösen. Jede Lerngruppe gibt nach Abschluss der Arbeitsblätter ihre Lösungen ab, die von Ihnen bewertet werden.

4 4 von Der Franck-Hertz-Versuch Da die Schüler Computer nicht nur für Rechercheaufträge benötigen, sondern auch für die Ausführung der Simulation und eine erste Dokumentation ihrer Ergebnisse, ist es ratsam, mit Ihrem Kurs im Computerraum der Schule zu arbeiten. Unabhängig davon, ob Sie den Versuch im Unterricht vorher vollständig aufgebaut und durchgeführt haben oder nicht, sollten Sie eine Franck-Hertz-Röhre, falls sie in der Physiksammlung vorhanden ist, ohne ektrische Beschaltung vorne auf das Pult legen, damit Ihre Schüler sie sich ansehen können. Voraussetzungen für die erfolgreiche Durchführung der Unterrichtseinheit Ihre Schüler kennen den glühektrischen Effekt und können die Beschleunigung von Elektronen in ektrischen Fdern qualitativ und quantitativ beschreiben, wissen, dass die Aufnahme und die Abgabe von Energie im Atom nur quantenweise funktioniert (Bohr sches Atommodl oder Potenzialtopf-Modl). Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allg. physikalische Kompetenz F 1, F 2, E 2, K 1, K 2, K 3, K 5 F 1, F 2, E 1, E 2, K 1 K 5 F 1, F 2, F 4, E 1, E 3, E 4, K 1, K 2, K 5, K 7, B 2 Die Schüler Inhaltsbezogene Kompetenzen lernen, wie die Kennlinie einer Elektronenröhre entsteht, geben Aufbau, Durchführung und Ergebnis des Franck-Hertz-Versuchs wieder, erklären die Entstehung der Franck-Hertz- Kurve mithilfe einer Computersimulation, Anforderungsbereich F 1, F 2, F 4, E 1, E 5, K 1, K 2, B 2 stlen die physikalischen Bezüge zur Quantenphysik her. Für wche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, inden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 29. Mediathek Simulationsprogramm zu den Materialien: I, II I, II II, III II, III Weitere Internetlinks: Historisches zum Franck-Hertz-Versuch: Literatur: Paul A. Tipler, Ralph A. Llewlyn: Moderne Physik. Oldenbourg. München/Wien S

5 3. Der Franck-Hertz-Versuch 5 von 12 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie M 1 Ab Gesättigter Strom Elektronen in der Vakuumröhre V: 5 min D: 45 min Infoblatt M 2 Internetzugang M 2 Infoblatt Die Kennlinie einer Elektronenröhre Hausaufgabe M 3 Ab Schwankender Strom Elektronen in der Franck-Hertz-Röhre M 4 V: 5 min D: 135 min Tippkarten Computersimulation: FranckHertz.exe Internetzugang Taschenrechner Tippkarten (M 4)

6 6 von Der Franck-Hertz-Versuch M 1 Gesättigter Strom Elektronen in der Vakuumröhre Die Vakuum-Elektronenröhre Heizspannung evakuierte Glasröhre Glühkathode U H Aufgaben Elektronen Anodenspannung U A 1. Erklären Sie die physikalischen Vorgänge in der oben abgebildeten Versuchsanordnung. Gehen Sie dabei vor allem auf die Rolle der Anodenspannung ein. Erläutern Sie, warum das Amperemeter einen Strom anzeigt. 2. Erklären Sie das Zustandekommen der typischen Strom-Spannungs-Kurve einer Vakuum-Elektronenröhre. Eine solche Kurve ergibt sich, wenn die Spannung UA in der abgebildeten Versuchsanordnung langsam erhöht wird. Lesen Sie die Ausführungen auf dem Infoblatt (M 2). Fassen Sie die wesentlichen Aspekte dieses Textes stichwortartig zusammen. V Anode A Anodenstromstärke I A Stromstärke Sättigungsbereich Beschleunigungsspannung

7 3. Der Franck-Hertz-Versuch 7 von 12 M 2 Infoblatt: Die Kennlinie einer Elektronenröhre Die Vakuum-Elektronenröhre Heizspannung evakuierte Glasröhre Glühkathode U H Elektronen Anode Anodenspannung U A Schema einer Vakuumdiode mit Elektronenwolke Durch den glühektrischen Effekt werden in der Elektronenröhre freie Elektronen erzeugt. Lesen Sie im Physikbuch nach, was der glühektrische Effekt ist. Der Anlaufstrom entsteht, weil die austretenden Elektronen bereits eine kleine Geschwindigkeit haben und daher auch ohne Beschleunigungsspannung zur Anode gangen können. Für den Raumladungsbereich ist von Bedeutung, dass die aus dem Glühdraht austretenden Elektronen sich zunächst in einem gewissen Gebiet vor dem Draht aufhalten, wo sie eine ausgedehnte Raumladung bilden. Dies hat zur Folge, dass neu austretende Elektronen nicht sofort von der Kathode weggezogen werden, denn die Raumladung schirmt die Wirkung der Anode teilweise ab. Erst mit zunehmender Anodenspannung werden immer mehr Elektronen abgezogen, was wiederum zur Folge hat, dass sich die Raumladung verringert. Die abschirmende Wirkung geht damit nach und nach verloren und neu austretende Elektronen gangen leichter zur Anode. Dies erklärt den Anstieg der Kennlinie in einem großen Spannungsbereich. V I A I A Sättigungsstrom Anodenstromstärke Raumladungsbereich Anlaufstrom Sättigungsbereich U Typische Strom-Spannungs-Kennlinie einer Elektronenröhre Im Sättigungsbereich ist die Anodenspannung so groß, dass die Raumladung fast komplett abgebaut wurde. Dies hat allerdings zur Folge, dass der Strom mit noch weiter zunehmender Spannung immer schwächer ansteigt, da das Elektronenreservoir erschöpft ist. Der Strom erreicht seinen Maximalwert, wenn die Raumladung komplett verschwunden ist und damit quasi jedes aus dem Draht austretende Elektron augenblicklich zur Anode gezogen wird.

8 8 von Der Franck-Hertz-Versuch M 3 Schwankender Strom Elektronen in der Franck-Hertz-Röhre Aufgaben 1. Informieren Sie sich mithilfe Ihres Physikbuches oder des Internets, wie der Franck- Hertz-Versuch aufgebaut ist, wie er durchgeführt wird und wche Ergebnisse er liefert. Dokumentieren Sie die wesentlichen Punkte in Ihren Unterlagen. 2. Wenn die Röhre gasförmiges Quecksilber enthält, verläuft die Stromstärkekurve nicht mehr monoton steigend, so wie in den Materialien M 1 und M 2 beschrieben wurde. Vimehr bricht die Stromstärke in regmäßigen Abständen (siehe Abbildung) ein. Stromstärke Beschleunigungsspannung 4,9 9,8 14,7 V Stromstärke in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung beim Franck-Hertz-Versuch Dieses Verhalten können Sie mithilfe des Computerprogramms FranckHertz.exe verstehen, denn diese Simulation reduziert die Vorgänge in der Röhre auf einige grundlegende Aspekte. Lesen Sie zunächst die Info-Box des Programms, nachdem Sie es gestartet haben, und gehen Sie dann zur Simulation über. Machen Sie sich mit den Funktionen des Programmes vertraut. 3. Stlen Sie eine Beschleunigungsspannung von 0 V und dann nacheinander von 4 V, 6 V und 10,5 V ein. Schildern Sie Ihre Beobachtungen. Erklären Sie die physikalischen Zusammenhänge, indem Sie auf Ihre Ausführungen zu Aufgabe 1 Bezug nehmen. 4. Die Kurve (Abbildung oben) zeigt, dass bei 4,9 V, 9,8 V und 14,7 V die Stromstärke jeweils einzubrechen beginnt. Stlen Sie diese Situationen mit der Simulation nach. Erreichen die Elektronen eine Bewegungsenergie von 4,9 ev, können sie offenbar auf besondere Art mit den Hg-Atomen wechswirken. Erklären Sie, was damit gemeint ist. Bestätigen Sie rechnerisch, dass die Wlenlänge der abgegebenen Strahlung, die in der Simulation mithilfe blauer Kreise dargestlt wurde, in Wirklichkeit im UV-Bereich liegt und einen Wert von 253 nm hat. 5. Der Versuch von Franck und Hertz galt lange Zeit als Bestätigung des Bohr schen Atommodls. Erklären Sie, warum. 6. Die Bewegung der Elektronen wurde in der Computersimulation extrem verlangsamt dargestlt. Berechnen Sie, wie schnl die Elektronen in Wirklichkeit sind. Gehen Sie bei Ihrer Rechnung von einer Beschleunigungsspannung von 5 V aus. 7. Berechnen Sie die Beschleunigungsspannung, bei der das erste Auleuchten der Quecksilberatome in einem Abstand von genau 4 cm von der Glühkathode geschieht. Überprüfen Sie Ihre Rechnung mithilfe der Simulation (d = 5 cm).

9 3. Der Franck-Hertz-Versuch 9 von 12 M 4 Tippkarten M 3, Aufgabe 4 Tipp 1 Bei den Stößen mit den Quecksilberatomen absorbieren diese die gesamte Bewegungsenergie der Elektronen. Die Quecksilberatome geben diese Energie in Form von Strahlung wieder ab. Tipp 2 Ansatz: Die Energie der ausgesendeten Photonen entspricht der Energie der Elektronen, die sie durch die Beschleunigung in dem ektrischen Fd erhalten haben. Dieses Fd ist durch die Spannung U B aufgebaut worden. Tipp 3 Ansatz: E = E Photon hf = eu Beschl. mit h = 6, Js und e = 1, C Tipp 4 Verwenden Sie c = λ f M 3, Aufgabe 6 Tipp 1 Ansatz: Die Arbeit, die das ektrische Fd an einem Elektron verrichtet, wird vollständig in kinetische Energie umgewandt: E = W 1 2 Tipp 2 2 mv = eu B M 3, Aufgabe 7 kin Tipp 1 Die Elektronen sollen die zur Anregung notwendige Energie von 4,9 ev längs der Strecke von s = 4 cm erhalten. Dazu eignet sich der Ansatz W = F s, wobei die Kraft F durch das ektrische Fd erzeugt wird, das durch die Spannung U B zwischen der Kathode und der Anode entsteht. Tipp 2 F s= eu und F = ee Anregung Tipp 3 U E = B d, wobei d der Abstand zwischen Kathode und Anode ist (d = 5 cm).

10 10 von Der Franck-Hertz-Versuch Erläuterungen und Lösungen M 1 Gesättigter Strom Elektronen in der Vakuumröhre 1. Die Vakuum-Elektronenröhre besteht aus einem evakuierten Glaskolben, in dem sich eine Glühkathode und in einigem Abstand ein Anodenblech beinden. Die Heizspannung bringt die Kathode zum Glühen, sodass Elektronen das Metall verlassen und in das Fd zwischen Kathode und Anode eintreten. Dort werden sie zur Anode hin beschleunigt, da sie negativ gaden sind. Diese Elektronenbewegung kann man als Anodenstrom messen. 2. In evakuierten Elektronenröhren erreicht das ektrische Fd, das durch die Beschleunigungsspannung (= Anodenspannung) zwischen Glühkathode und Anode erzeugt wird, nicht alle ausgedampften Elektronen. Vimehr werden vor allem die Elektronen, die im Randbereich der Elektronenwolke liegen, abgesaugt und beschleunigt. Je stärker das Fd ist, desto mehr Elektronen werden erfasst. Daher steigt die Stromstärke mit der angegten Spannung. Erst wenn das Fd so stark ist, dass alle Elektronen erfasst werden, kann eine Erhöhung der Spannung nicht mehr Elektronen liefern die Stromstärke beindet sich im Sättigungsbereich. M 2 Infoblatt: Die Kennlinie einer Elektronenröhre Als glühektrischen Effekt bezeichnet man das Phänomen, dass ein zum Glühen erhitztes Metall (hier: die Glühkathode) Elektronen aussendet. Während die positiven Ladungsträger gebunden sind, sitzen die negativ gadenen Elektronen verhältnismäßig locker. M 3 Schwankender Strom Elektronen in der Franck-Hertz-Röhre 1. z. B. Eine evakuierte Röhre enthält eine Glühkathode, eine gitterförmige Anode und eine Gegenektrode. Außerdem enthält die Röhre etwas lüssiges Quecksilber, das durch äußerliches Erhitzen der Röhre in einem spezilen Ofen in den gasförmigen Zustand überführt wird. Eine kleine Spannung von etwa 1,5 Volt erzeugt ein schwaches, aber konstantes Gegenfd zwischen Gitteranode und Gegenektrode. Glühkathode Gitteranode Gegenektrode Quecksilbergas 0 30V 1,5 V I Nachdem die Röhre in einem Wärmeofen auf Betriebstemperatur gebracht wurde (Quecksilber im gasförmigen Zustand), wird die Beschleunigungsspannung zwischen Glühkathode und Gitteranode von 0 V an langsam erhöht und in Abhängigkeit davon die Stromstärke I aufgezeichnet (Wertetable oder xy-schreiber). Dabei zeigt sich, dass die Stromstärke zunächst steigt, dann aber plötzlich einbricht. Eine weitere Erhöhung der Beschleunigungsspannung lässt die Stromstärkekurve wie-