ERFURT. Franck-Hertz-Versuch mit Thyratron. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht ERFURT Franck-Hertz-Versuch mit Thyratron Robert Brückner Clemens Fischer Marco Poppe Schule: von-bülow-gymnasium Zinzendorfstraße Neudietendorf Jugend forscht 2010

2 Jugend forscht 2010 Robert Brückner Clemens Fischer Marco Poppe Betreuer: Achim Bode von-bülow-gymnasium Zinzendorfstr Neudietendorf Fachgebiet: Physik Anmelde-Nr.: Franck-Hertz-Versuch mit Thyratron Gliederung: 1 Problemstellung 2 Klassischer Franck-Hertz-Versuch 2.1 Versuchsaufbau und -durchführung 2.2 Ergebnisse und ihre Bedeutung für die Physik 2.3 Kommerzielle Lehrmittel 3 Thyratrons 3.1 Aufbau, Funktion und Verwendung 3.2 Beschreibung einiger Thyratrons 3.3 Funktionsprüfung 4 Aufnahme von U B -I G -Kennlinien der Thyratrons 4.1 Beschreibung unserer Versuchsdurchführung 4.2 Messergebnisse 5 Vorschlag für den Physik-Unterricht in Klasse 12 6 Ausblick 1

3 1 Problemstellung Unser Physiklehrer hat uns auf folgendes Problem aufmerksam gemacht: In der 12. Klasse wird der Franck-Hertz-Versuch behandelt. Dieser Versuch ist grundlegend für das Verständnis der Quantenphysik. Man kann diesen Versuch auch im Unterricht durchführen, aber die Geräte sind sehr teuer. Deren Anschaffung für eine einzige Physikstunde ist vielen Schulen finanziell nicht möglich. Wie eine Franck-Hertz-Röhre sind im Prinzip die Thyratrons aufgebaut. Solche Röhren sind oft preiswert zu bekommen. Wir wollten herausfinden, ob man mit ihnen den Franck-Hertz- Versuch durchführen kann. In [1] ist dazu ein Versuch beschrieben. Wir haben uns zuerst kundig gemacht, was der Franck-Hertz-Versuch überhaupt ist und warum er so eine große Bedeutung hat. Hierfür haben wir uns Bücher von unserem Physiklehrer ausgeliehen und uns auch etwas von ihm erklären lassen sowie selbständig recherchiert. Daraufhin haben wir uns über den Bau und die Funktion eines Thyratrons informiert. Nachdem wir einige verschiedene Thyratrons gekauft hatten, führten wir erste Experimente durch und nahmen die charakteristischen I-U-Kennlinien auf und verglichen sie mit denen des Originalversuchs. Wir experimentierten mit verschiedenen Heizströmen sowie verschiedenen Gegenspannungen an den Thyratrons und fanden auch dem Originalversuch ähnliche Kennlinien. Unsere Ergebnisse haben wir mit Dr. Denner von der TU Ilmenau diskutiert. Er hat uns wichtige Hinweise gegeben, was noch zu beachten wäre. Daraufhin begaben wir uns erneut an die Arbeit, nahmen einige Veränderungen vor und können jetzt unser vollständiges Ergebnis präsentieren. 2 Klassischer Franck-Hertz-Versuch James Franck und Gustav Hertz haben im Jahr 1913 ein später nach ihnen benanntes Experiment durchgeführt. Sie beschäftigten sich mit den Vorgängen in Gasentladungsröhren, insbesondere mit den Zusammenstößen zwischen Elektronen und Gasatomen. Damit wollten sie eine Theorie widerlegen, nach der die Elektronen bei diesen Stößen ihre gesamte kinetische Energie abgeben sollten. 2.1 Versuchsaufbau und -durchführung In einem Glaskolben befindet sich Quecksilberdampf mit einem niedrigen Druck. Auf einer Seite des Glaskolbens ist eine geheizte Glühkathode K, etwa in der Mitte der Röhre ein für Elektronen durchlässiges Gitter G und wenige Millimeter hinter dem Gitter befindet sich eine Platte A, die Anode. 2

4 Durch das Heizen sendet die Kathode Elektronen aus. Mit der Spannung U b werden die Elektronen zum Gitter beschleunigt. Auf ihrem Weg stoßen sie häufig mit den Quecksilberatomen zusammen. Die meisten Elektronen fließen vom Gitter zum Pluspol von U b. Einige Elektronen durchdringen das Gitter und fliegen zur Anode. Die Spannung U g erzeugt ein schwaches Gegenfeld. Das Strommessgerät zeigt an, wie viele Elektronen beim Durchtritt durch G noch eine gewisse Mindestenergie besitzen. 2.2 Ergebnisse und ihre und Bedeutung für die Physik Erhöht man die Spannung U b, wachsen die gemessenen Stromwerte zunächst an. Ab einem bestimmten Spannungswert geschieht aber etwas Überraschendes: Der Strom fällt ab, erreicht einen Minimalwert und steigt dann wieder an. Etwa bei dem doppelten Wert der Spannung, bei der die Stromstärke zum ersten Mal sinkt, fällt er erneut ab und steigt danach wiederum an. Dies wiederholt sich mehrmals. Die Spannungswerte mit minimalem Strom haben bei der Quecksilberröhre eine Differenz von ca. 4,9 V. James Franck und Gustav Hertz fanden dafür folgende Erklärung: Die Stromminima entstehen, wenn die Elektronen unmittelbar vor dem Gitter ihre gesamte kinetische Energie an die Quecksilberatome abgegeben haben (unelastische Stöße). Wegen des Gegenfeldes können die Elektronen dann nicht mehr die Anode erreichen. Zonen zwischen Kathode und Gitter mit unelastischen Stößen können auch mehrfach in der Röhre auftreten (zweites, drittes, Stromminimum). Bemerkenswert ist das Resultat: Quecksilberatome nehmen von den Elektronen nur dann Energie auf, wenn es sich um den Betrag 4,9 ev handelt. Mit anderen Energien kann man die Atome nicht anregen. Im gleichen Jahr, in dem James Franck und Gustav Hertz ihren Versuch erstmals durchführten, formulierte Nils Bohr im nach ihm benannten Atommodell: Elektronen bewegen sich im Atom nur auf Bahnen mit bestimmten Energien. Beim Sprung eines Elektrons zu einer energetisch tieferen Bahn wird diese Energiedifferenz als Lichtquant abgestrahlt. Die mit 4,9 ev fliegenden Elektronen haben also jeweils ein Elektron auf eine um diesen Betrag energetisch höhere Bahn gehoben und ihre Energie dabei verloren. Der Franck-Hertz-Versuch bestätigt somit die Richtigkeit des bohrschen Atommodells! 3

5 2.3 Kommerzielle Lehrmittel Die Firmen Conatex und 3B Scientific Physics bieten die gleichen Geräte an, die Preise stimmen überein: 1 Franck-Hertz-Betriebsgerät 534 2a Franck-Hertz-Röhre (Hg) mit Heizofen 796 oder 2b Franck-Hertz-Röhre (Ne) 405 Im Katalog von Leybold Didactic haben wir wesentlich teurere Geräte gefunden: 1 Franck-Hertz-Betriebsgerät a Franck-Hertz-Röhre (Hg) 501 Anschlussfassung 149 Rohrofen 222 oder 2b Franck-Hertz-Röhre (Ne) 537 Anschlussfassung 203 Verbindungskabel 26,60 Alle Preise zzgl. Mehrwertsteuer! Damit man im Physikunterricht den Franck-Hertz-Versuch mit Quecksilber durchführen kann, müssen also mindestens für 1582,70 Lehrmittel gekauft werden. 4

6 3 Thyratrons 3.1 Aufbau, Funktion und Verwendung Aufbau: Ein Thyratron besteht aus einer gasgefüllten Glasröhre, die eine geheizte Kathode sowie ein oder mehrere Gitter und eine Anode enthält. Funktion: An Kathode und Anode wird eine Spannung angeschlossen (Anode: Pluspol). Von der Katode zur Anode kann kein Strom fließen; die Röhre ist gesperrt, auch wenn die Anodenspannung mehrere hundert Volt beträgt. Mit einer zusätzlichen Spannung am Gitter wird das Gas in der Röhre ionisiert. Man sagt, die Röhre wurde gezündet. Jetzt fließt ein starker Strom von der Kathode zur Anode. Seine Größe hängt vom Widerstand im Anodenstromkreis und der Anodenspannung ab. Das Thyratron verhält sich nun wie eine gasgefüllte Gleichrichterröhre ohne Gitter. Es gibt Thyratrons mit negativer und positiver Steuerkennlinie, je nachdem ob die zur Zündung erforderliche Gitterspannung positiv oder negativ bezogen zur Katode ist. Ein Löschen der Röhre über die Gitterspannung ist jedoch im Gegensatz zu Vakuumröhren, wo der Anodenstrom jederzeit über Gitter gesteuert werden kann, nicht mehr möglich. Nach der Zündung wird das Gitter durch eine Ionenwolke umhüllt, die dazu führt, dass das Gitter seine Steuerfähigkeit verliert. Eine Steuerung der Röhre über das Gitter ist nun nicht mehr möglich. Der Anodenstrom fließt so lange, bis die Spannung zwischen Anode und Katode einen bestimmten Wert unterschreitet. Verwendung: Thyratrons wurden bis in die 1960er Jahre zur Realisierung von steuerbaren Gleichrichtern und Phasenanschnittsteuerungen verwendet. Sie sind heute durch Thyristoren, Triacs und IGBT fast vollständig ersetzt worden. Wasserstoff-Impuls-Thyratrons werden jedoch bis heute gefertigt, da diese besonders schnell sehr hohe Leistungen schalten können. Sie werden in Impulsgeneratoren, u. a. in Excimerlasern zur Steuerung der Pumpentladung, eingesetzt und konnten dort erst ca teilweise durch Halbleiter ersetzt werden. 5

7 3.2 Beschreibung einiger Thyratrons Weil die von uns verwendeten Röhren schon ca Jahre alt sind und teilweise von ausländischen Firmen stammen, sind die Angaben leider nicht vollständig. Wichtig für uns ist vor allem, dass wir die maximale Heizspannung nicht überschreiten, damit der Glühdraht nicht durchbrennt. Die maximale Anodenspannung und der maximale Anodenstrom sind nicht von Bedeutung, weil wir die Röhren nur mit Kleinspannung betreiben. TQ41 Durchmesser: ca. 55 mm Höhe: ca. 230 mm Hersteller: Brown-Boveri & Cie Heizspannung, -strom: vermutlich 5 V; ca.10 A Gasfüllung: Quecksilberdampf Quellen: [2] TG1-2,5/4 Durchmesser: ca. 80 mm Höhe: ca. 230 mm Hersteller: unbekannt, UdSSR Heizspannung, -strom: 5 V; A Gasfüllung: Argon Quellen: [3] S1,3/30dV Durchmesser: ca. 42 mm Höhe: ca. 140 mm Hersteller: VEB Werk für Fernsehelektronik, DDR Heizspannung, -strom: 2,5 V; 9 A Gasfüllung: Xenon Quellen: [4] S1,3/0,5iV Durchmesser: ca. 18 mm Höhe: ca. 50 mm Hersteller: VEB Werk für Fernsehelektronik, DDR Heizspannung, -strom: 6,3 V; 0,6 A Vergleichstyp: GL 5727 Gasfüllung: Xenon Quellen: [5] 6

8 C1B/A Durchmesser: ca. 42 mm Höhe: ca. 140 mm Hersteller: Electrons Co., Newark, N. J., USA Heizspannung, -strom: 2,5 V; 6,3 A Gasfüllung: Xenon Quellen: [6] S1,3/2iV Durchmesser: ca. 29 mm Höhe: ca. 65 mm Hersteller: VEB Werk für Fernsehelektronik, DDR Heizspannung, -strom: 6,3 V; 0,95 A Vergleichstyp: PL 6574 Gasfüllung: lt. [1] Argon, Neon lt. [4] Xenon Quellen: [1] Alle Sockelbilder zeigen den Blick auf die Steckstifte. Abkürzungen: f: Heizung, k: Kathode, g: Gitter, a: Anode Das Foto zeigt die Röhren von links nach rechts in der Reihenfolge der Kurzbeschreibung. 7

9 3.3 Funktionsprüfung Die Thyratrons, mit denen wir experimentieren, sind sehr alt und meist gebraucht. Deshalb mussten wir erst testen, ob sie funktionieren. Dazu haben wir diese Schaltung verwendet: Heizspannung und Anodenspannung werden angelegt. Ist die Anodenspannung eine geglättete Gleichspannung, so leuchtet die Lampe nach kurzzeitigem Drücken des Tasters ständig. Ist die Anodenspannung pulsierend, so leuchtet die Lampe nur bei geschlossenem Schalter. 8

10 4 Aufnahme von U B -I G -Kennlinien der Thyratrons 4.1 Beschreibung unserer Versuchsdurchführung Hier ist zunächst der prinzipielle Versuchsaufbau zu sehen: Beim Arbeiten mit den kleinen Thyratrons S1,3/0,5iV und S1,3/2iV kann man alle drei Spannungen einem Stromversorgungsgerät SVG (DDR-Produktion) mit dem angesteckten Zusatzteil für Röhrenversuche entnehmen. Für die großen Thyratrons haben wir ein extra Netzgerät für die Heizung verwendet, weil der Heizstrom größer ist. Im Schaltbild nicht eingezeichnet sind Messgeräte zur Kontrolle von Heizstrom, Gitterstrom und Gegenspannung. Die Einstellmöglichkeit für U1 am Zusatzteil des SVG ist zu grob. Wir haben dafür diese elektronische Regelung genutzt: Der Widerstand 1 k Ohm ist unbedingt erforderlich, um das Gitter vor zu großem Strom zu schützen! Arbeit mit dem PC-Messinterface: Das Strommessgerät für I2 ist ein DC-Milli-Pico-Meter MV 40. Bei jedem Strommessbereich liefert der Ausgang des Gerätes einen Strom von 10 ma. An einem Widerstand von 10 Ohm wird das eine Spannung von 100 mv. Diese wird von Sensor-CASSY als Input A gemessen. Der Strom I2 wird je nach Messbereich des MV 40 mit einer Formel errechnet. Die Spannung U1 ist Input B. Bei U1 = 1,2 V starten wir eine automatische Messwertaufnahme alle 0,5 s und erhöhen mit dem Wendelpotentiometer gleichmäßig die Spannung. Dabei wird die I2-U1- Kennlinie auf den Bildschirm geschrieben. Parameter: 1. Heizstromstärke: Ist sie zu klein, so glüht die Kathode nicht mehr, ist sie zu hoch, ist der Gitterstrom so groß, dass keine sinnvolle Kennlinie mehr entsteht. 2. Gegenspannung: Ihr Wert beeinflusst die Kennlinie stark, deshalb haben wir mit verschiedenen Werten Kennlinien aufgenommen. 9

11 4.2 Messergebnisse Man sieht keine lokalen Minima. Die Röhre ist für den Franck-Hertz-Versuch nicht geeignet. Vielleicht liegt es daran, dass wir die Röhre nicht von außen erhitzt haben, wie es bei den kommerziellen Franck-Hertz-Röhren gemacht wird. Die Kennlinien haben zwar oberhalb von U1 = 16 V Unregelmäßigkeiten, aber auch durch Verändern der Parameter lassen sich keine Minima erzeugen. Auch diese Röhre ist für den Franck-Hertz-Versuch nicht geeignet. 10

12 Bei ca. 17 V steigt der Strom sehr stark an und erreicht anschließend ein ausgeprägtes Minimum. Der Vergleich beider Diagramme zeigt, dass mit höherer Heizstromstärke der Gegenstrom deutlich größer wird. Die Kennlinien sind denen des Franck-Hertz-Versuchs ähnlich, aber nur bis zum ersten Stromminimum. Es ist nur dieses eine Minimum nachweisbar. 11

13 Das Thyratron S1,3/0,5iV soll lt. [4] Xenon als Füllgas haben (Endbuchstabe V). Wir haben von Dr. Denner erfahren, dass Xenon u.a. zwei Spektrallinien mit den Wellenlängen 197,26 nm und 146,76 nm hat. Dies entspricht den Quantenenergien 6,3 ev und 8,5 ev. Das stark ausgeprägte lokale Minimum bei 7-8 V im oberen Diagramm könnte aus einer Überlagerung der Anregung der Xenon-Atome mit diesen Energien entstanden sein. Damit würden die Messungen im oberen Diagramm einem Franck-Hertz-Versuch entsprechen. Bei höherer Heizstromstärke verschwindet dieses Minimum, dafür treten aber z.t. neue auf. Beschränkt man sich auf die Ermittlung eines Minimums, so ist dieses Thyratron dafür gut geeignet, wenn man einen niedrigen Heizstrom wählt. 12

14 Das C1B/A zeigt dasselbe Minimum bei 7-8 V wie das S1,3/0,5iV, weil sie das gleiche Füllgas enthalten. Beim C1B/A lassen sich jedoch bis zu drei Minima ermitteln. Dies ist aber von der Gegenspannung abhängig. Interessant ist, dass im oberen Diagramm ein Minimum bei ca. 14 V und ein weiteres bei ca. 28 V auftritt in Übereinstimmung mit dem Franck-Hertz-Versuch. Das C1B/A schien uns schon vor dem Experimentieren wegen seines Aufbaus sehr vielversprechend. Man erkennt beim Blick schräg von oben, dass alle Elektronen auf dem Weg von der Glühkathode zur Anode eine Öffnung mit einem Drahtgitter passieren müssen. Bei den anderen Röhren ist nicht zu sehen, wie das Gitter zwischen Kathode und Anode angeordnet ist. 13

15 Das obere Diagramm zeigt: Eine Gegenspannung von mehr als 3 V ist nicht sinnvoll! Hier erkennt man sogar drei Minima bei U2 = 1 V und 2 V! Eine weitere Vergrößerung des Heizstroms verbessert den Kennlinienverlauf nicht! Wir haben mehrere Röhren dieses Typs ausprobiert. Die exemplarabhängigen Unterschiede sind sehr gering. 14

16 5 Vorschlag für den Physik-Unterricht in Klasse 12 Das Thyratron S1,3/2iV zeigt die besten Ergebnisse. Zwei Minima in der Kennlinie sind auf jeden Fall zu erzeugen, mit etwas Geschick auch drei siehe untere Abbildung. (Hier wurde die Kennlinie punktweise manuell aufgenommen.) Wir halten deshalb diesen Thyratron-Versuch für den Physikunterricht geeignet. Es müsste die Schüler neugierig machen, wenn sie bei der Messung sehen, dass sich der Strom nicht wie erwartet gleichmäßig ändert, sondern mal zu- und mal abnimmt. Anschließend kann man sich im Lehrbuch über die physikalischen Ursachen dieser Schwankungen informieren und die Bedeutung des Franck-Hertz-Versuchs erfassen. Wir sind uns aber nicht sicher, ob alle Minima wirklich durch unelastische Stöße und Anregung eines einzigen Gases entstehen. Das sollte man im Unterricht mit sagen! 15

17 Damit der Thyratron-Versuch einfach und übersichtlich durchgeführt werden kann, entstand dieses Gerät: Von vorn sieht man die Schaltung und die Anschlüsse. Im Kasten sind der Spannungsregler, ein Drehwiderstand für das Einstellen des Heizstroms sowie Buchsen für Kontrollinstrumente und Wendelpotentiometer. Statt die Messungen mit dem PC durchzuführen, kann man auch Digitalmultimeter verwenden. Wenn sie den Messbereich 20 µa besitzen, kann man auch die sehr kleinen Ströme gut messen. Die Heizung muss ca. 10 Minuten vor Versuchsbeginn eingeschaltet werden, damit sich der Heizstrom auf einen konstanten Wert einstellt. 16

18 6 Ausblick An unserer Schule befindet sich eine Schülerfirma im Aufbau, die u. a. Dienstleistungen für Schüler vermitteln will. Wenn diese Schülerfirma geschäftsfähig ist, könnte sie auch das Gerät für den Thyratron-Versuch anbieten, herstellen und vertreiben. Anfangs würden wir den Versuch Physiklehrern in einer regionalen Fortbildungsveranstaltung zeigen, um herauszufinden, ob Interesse besteht und so vielleicht erste Kunden gewinnen. Wir bedanken uns für die Hilfe bei der Erstellung dieser Arbeit bei unserem Betreuer und außerdem bei: PD Dr. Denner, TU Ilmenau, Herrn Fiebich, Leiter des Schülerlabors im Elektromuseum Erfurt, Joachim Euchler aus unserer Klasse! Quellen: [1] Physikalische Schulversuche, Band 11 Aufbau der Stoffe, Volk und Wissen Volkseigener Verlag Berlin 1979 [2] [3] [4] [5] [6] ELECTRONIC_COMPONENTS_ELECTRONS,_INC_ [7] [8] [9] Kataloge der Firmen Leybold Didactic, Conatex, 3B Scientific Physics [10] Kuhn Physik Band 2 Klasse 12/13, Westermann-Verlag Daten von Röhren findet man auch auf diesen Web-Seiten: Bezugsmöglichkeit für S1,3/2iV: Preis: 4,90 17