Franck-Hertz-Versuch Seite 1

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1 . ufgabenstellung Franck-Hertz-Versuch Seite.. Für eine mit Quecksilberdampf gefüllte, beheizte Franck-Hertz-Röhre ist die nodenstrom-beschleunigungsspannungs-kennlinie aufzunehmen und hieraus die nregungsenergie der Hg-tome zu bestimmen... Bei Raumtemperatur ist dieses Experiment auch an einer mit Neon gefüllten Franck-Hertz-Röhre durchzuführen. uftretende Leuchterscheinungen sind zu beobachten und zu diskutieren. Literatur: Schenk, W. Kremer, F. (Hrsg.) Eichler, H. J. Kronfeldt, H.-D. Sahm J. Stroppe, H. alisches Praktikum Vieweg + Teubner Verlag Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 3. uflage 0, S Das Neue alische Grundpraktikum Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York. uflage 006, S Studenten der Natur- und Technikwissenschaften Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag. uflage 999, S Grundlagen In einem tom existieren nur diskrete Energieniveaus die Elektronen der Hülle. Folglich kann dieses auch nur solche Energiebeträge E, die dem Übergang von einem auf das andere Niveau entsprechen, aufnehmen oder wieder abgeben. Der Energieaustausch erfolgt beispielsweise über Wechselwirkung mit Photonen oder durch Elektronenstöße. James Franck und Gustav Ludwig Hertz führten in den Jahren 9-94 Elektronenstoßexperimente durch, die das Bohrsche tommodell stützten und belegten, dass bei unelastischen Stößen auftreffende Elektronen ihre mechanische Energie nur in bestimmten Portionen übertragen und damit das tom anregen können. Im vorliegenden Versuchsaufbau wird der Franck-Hertz-Versuch an zwei unterschiedlichen Glasröhren, a) mit Quecksilberfüllung, koaxialer ufbau sowie b) mit Neonfüllung, planare nordnung der Elektroden (vgl. bb. ) nachempfunden. Heizung K Verstärker G G I U I U U UB U3 Schirm bb. : Prinzipieller Versuchsaufbau mit Franck-Hertz-Röhre letzte Änderung:

2 Franck-Hertz-Versuch Seite Eine bis zur Rotglut beheizte Kathode K emittiert Elektronen in das Röhreninnere. Diese werden zunächst durch eine kleine positive Spannung U zwischen Kathode und Gitter G abgesaugt. Mittels einer einstellbaren Spannung U B zwischen den Gittern G und G erfolgt die den Versuch entscheidende Beschleunigung der Elektronen. Gas- bzw. Dampfdruck in der Röhre sind so eingestellt, dass die mittlere freie Weglänge von Elektronen zwischen Stößen mit Gasatomen viel geringer ist als der bstand der Gitter voneinander. Ist U B niedrig, die kinetische Energie der Elektronen daher noch kleiner als die nregungsenergie E der tome, finden ausschließlich elastische Stöße statt. Der maximal mögliche Energieaustausch zwischen Elektron und tom beträgt wegen der gegen die Elektronenmasse m viel größeren tommasse m E max 4 e Ekin, e m e m, () im Falle von Quecksilber etwa 0,00% der mitgebrachten Energie und ist vernachlässigbar. Die Elektronen besitzen nach dem Stoß genügend kinetische Energie, um das zwischen Gitter G und node bestehende Bremsfeld zu überwinden und erreichen diese. Während des Experimentes werden Gegenspannung U 3, wie auch die Saugspannung U, konstant gehalten. Mit steigender Spannung U B erhöht sich der nodenstrom I so lange, bis die ersten Elektronen die erforderliche Energie E besitzen. Es finden jetzt zunehmend unelastische Stöße mit vollständiger Energieübertragung statt, die Elektronen können danach gegen das Bremsfeld vor Elektrode nicht mehr anlaufen und der nodenstrom sinkt. Das nregungsgebiet befindet sich zu diesem Zeitpunkt unmittelbar vor dem Gitter G, um bei weiterer Erhöhung von U B in Richtung G zu wandern. Während der nodenstrom anfangs noch weiter zurückgeht, ist nach Durchlaufen eines Minimums ein Wiederansteigen beobachtbar. Ursache hier ist, dass die Elektronen nach dem unelastischen Stoß im Feld zwischen G und G wieder genügend Energie aufnehmen konnten, um U 3 zu überwinden. Bei weiterer Vergrößerung von U B wiederholt sich der Vorgang periodisch, die I -Kennlinie besteht also aus einer Folge von Maxima und Minima, deren bstände die nregungsenergie E abschätzen lässt. Die Tatsache, dass der Rückgang von I nicht abrupt erfolgt, kann mit der vorhandenen Geschwindigkeitsverteilung nach ustritt der Elektronen aus der Kathode begründet werden. Kurze Zeit nach Energieaufnahme durch das stoßende Elektron gehen die tome, begleitet von spontaner Emission eines Photons der Frequenz E f =, () h mit h - Plancksches Wirkungsquantum, wieder in den Grundzustand über. Möglich ist aber auch eine Energieabgabe über mehrere Zwischenstufen, so dass Leuchterscheinungen im sichtbaren Spektralbereich beobachtet werden können. letzte Änderung:

3 Franck-Hertz-Versuch Seite 3 3. Messanleitung Quecksilber- und neongefüllte Franck-Hertz-Röhre sind als Tetroden, bis auf ihre unterschiedliche Elektrodengeometrie, ähnlich konstruiert und können wahlweise über ein Systemkabel mit DIN-Stecker an das Betriebsgerät angeschlossen werden. Die Hg-Röhre steckt, umgeben von einem Kupfermantel, in einem elektrisch beheizten Rohrofen, dessen Temperatur nach Sollvorgabe geregelt wird. chtung! Schalten Sie vor dem Wechsel der zur Messung verwendeten Röhre das Betriebsgerät immer erst aus. Stellen Sie sicher, dass bei Benutzung der Hg-Röhre auch das NiCr-Ni-Thermoelement des Heizofens ordnungsgemäß angesteckt ist. Die Frontplatte des Betriebsgerätes ist in vier Bedienfelder eingeteilt: I C V II U U U 3 U ϑ ϑ s I n uto Reset Man. CSSY U 0 Hg: V U 3 U Ne: V y x ϑ s III IV U ϑ NiCr-Ni FH-Röhre S I U V bb. : Frontplatte des Franck-Hertz-Betriebsgerätes I. Digitaldisplay mit Umschalter die anzuzeigenden Messparameter ϑ S (Solltemperatur des Heizofens Hg-Röhre), ϑ (Isttemperatur), U, U 3, U (Beschleunigungsspannung U B ) und nodenstrom I. Weiterhin enthalten sind Einstellknöpfe die Messparameter U, U 3 und ϑ S sowie eine DIN- Buchse den nschluss des NiCr - Ni -Thermoelementes. II. Betriebsartenumschalter die Beschleunigungsspannung U U B und Einstellknopf hier bei manuellem Betrieb. Zwei LEDs symbolisieren den Status der angeschlossenen Röhre und an die usgangsbuchsen lässt sich ein Messgerät bzw. die x-blenkeinheit eines Oszilloskops anschließen. III. DIN-nschlussbuchse die Franck-Hertz-Röhre. ußer der Massebuchse (Schirm) sind alle anderen Steckverbindungen unbenutzt bzw. abgedeckt. IV. nschlussbuchsen zur Messung des nodenstroms. Dieser hat die Größenordnung einige Nanoampere und wird deshalb im Betriebsgerät auf eine gut messbare Spannung ( U ) gewandelt. Die Proportionalität zum nodenstrom ist gewährleistet, wobei der realisierte Proportionalitätsfaktor die uswertung der Röhrenkennlinien nicht interessant ist. letzte Änderung:

4 Franck-Hertz-Versuch Seite Franck-Hertz-Röhre mit Hg-Füllung Nach nschluss der Röhre über das DIN-Kabel wird das Betriebsgerät eingeschaltet und eine Solltemperatur des Rohrofens von ϑ = 00 C eingestellt. Ist diese erreicht, sollten noch mindestens 5min bis zum S bklingen der größeren Regelabweichungen abgewartet werden. Die usprägung von Maxima und Minima der I -Kennlinie hängt empfindlich von den Parametern Röhrentemperatur/Hg-Dampfdruck, Saugspannung U und Bremsspannung U 3 ab. Ziel dieses Versuchsteils ist eine Messung mit 6 gut auswertbaren Strommaxima. Ist die vorgegebene Temperatur erreicht, kann mit der Optimierung der Spannungen U und U 3 begonnen werden. Einflussfaktoren wie lter der Röhre, Einbaulage im Heizofen oder Verdampfungsgrad des Quecksilbers beeinflussen die Röhreneigenschaften, so ist hier nur die ngabe grober Orientierungswerte möglich: U,5V U3,0V Man verfolgt in der U -Betriebsart Sägezahn das Bild des im xy-modus betriebenen Oszilloskops und versucht, durch Variation von U und U 3 den nebenstehenden Kurvenverlauf zu erzeugen. Vermieden werden sollte ein zu frühes bschneiden der Kurve am oberen Rand (Clipping). Detaillierte bgleichhinweise sind im nhang der Versuchsanleitung zu finden. Die eigentliche ufnahme der I -Kennlinie erfolgt punktweise im manuellen Modus die Spannung U, diese wird am Display im Bedienfeld I abgelesen. Für die Erfassung der dem nodenstrom proportionalen Spannung U steht am Versuchsplatz ein Digitalvoltmeter zur Verfügung. Messparameter diesen Versuchsteil: U = (0... 3) V in Schritten von U 0,5V Es empfiehlt sich, die Spannungsschritte U an den steileren Kurvenabschnitten etwas feiner einzustellen. Die Messung wird auf jeden Fall abgebrochen, wenn U einen Wert von,7v, das Limit des Spannungsverstärkers im Betriebsgerät, erreicht hat. 3.. Franck-Hertz-Röhre mit Ne-Füllung Die neongefüllte Franck-Hertz-Röhre ist auf einer Demonstrationsplatine aufgebaut und wurde zur Vermeidung von Brummeinstreuungen elektrisch abgeschirmt. Ein Durchbruch des Gehäuses erlaubt den Blick auf das Fluggebiet der Elektronen zwischen den Gittern G und G. Zur Ermittlung der I -Kennlinie wird analog zu Versuchsteil 3. vorgegangen. Im zur Verfügung stehenden Bereich der Beschleunigungsspannung U sollte die Messkurve 3 gut ausgeprägte Maxima aufweisen, das zugehörige Oszilloskopbild ist rechts dargestellt. Zur groben Orientierung können folgende Werte Saug- und Bremsspannung die Optimierung probiert werden: letzte Änderung:

5 Franck-Hertz-Versuch Seite 5 U 4,0V U3 8,5V Messparameter diesen Versuchsteil: U = ( ) V in Schritten von U V Sobald der nodenstrom bei Erhöhung von U übermäßig ansteigt oder U den gerätetechnisch bedingten Grenzwert von,7v erreicht hat, wird die Messung beendet. Leuchterscheinungen Bei Neon ist der direkte Rückübergang des toms aus den durch Elektronenstoß angeregten Energiezuständen in den Grundzustand verboten, die Energieabgabe erfolgt über Niveaus, die zwischen ev und 3eV unter den angeregten Zuständen liegen. Diese Übergänge sind somit von sichtbarer rot-gelber Lichtemission begleitet und gut beobachtbar. Zur Erzeugung der Leuchterscheinungen wird das Betriebsgerät zuerst in den Modus Sägezahn geschaltet und die Saugspannung U vorsichtig erhöht. Sobald das periodische Flackern zwischen den Gittern erkennbar ist, wechselt man in den manuellen Modus und erhöht U, von Null beginnend, stetig. Die auftretenden Lichtscheibchen, insbesondere ihr Wandern mit Erhöhung der Beschleunigungsspannung, sind im Versuchsprotokoll zu schildern und zu interpretieren. 4. uswertung Die I -Kennlinien sind beide untersuchte Franck-Hertz-Röhren in getrennten Diagrammen darzustellen. Das Praktikumsprogramm PhysPract bietet mit seinem Bearbeitungsfenster Spline-Interpolation ein Hilfsmittel zur Erstellung einer durch die Messpunkte verlaufenden Strom-Spannungs-Kurve. Folgende Zeicheneinstellungen sollten verwendet werden: Stützpunktzahl des Interpolationsgraphen ( Punkte ): 500 bis 000, je nach nzahl der Strommaxima Dämpfungsparameter klein ( Dämpfung ): Schieber ganz nach links Nach dem Zeichnen besteht die Möglichkeit einer computergestützten Digitalisierung der Strommaxima. Zum ktivieren dieser Programmoption klickt man in der Schnellstartleiste auf das Fadenkreuz-Symbol. Die hier nur interessierenden X-Werte (Beschleunigungsspannung) werden zur Bestimmung der nregungsenergie E herangezogen. Hg-Röhre: In einer weiteren Grafik sind die Spannungen U,i an den Maxima über der Ordnungszahl i des Maximums darzustellen. Der Zusammenhang ist linear und der nstieg einer usgleichsgeraden liefert den Zahlenwert E in Elektronenvolt. Ne-Röhre: Hier lohnt das Zeichen einer usgleichsgeraden nicht, die nregungsenergie ist als gemittelter Wert der Spannungsdifferenzen zwischen den Strommaxima anzugeben. Die gefundenen nregungsenergien Hg und Ne sind, unter Berücksichtigung von Messunsicherheiten, mit Tabellenwerten zu vergleichen. letzte Änderung:

6 Franck-Hertz-Versuch nhang Optimieren der Franck-Hertz-Kurve. Hg- und Ne-Röhre Durch Vergrößern der Saugspannung U wird die Elektronenwolke vor der Kathode abgebaut. Es können mehr Elektronen emittiert werden, d. h. der Querstrom durch die Röhre wird erhöht. Bei Erhöhung der Gegenspannung U 3 können nur solche Elektronen die node erreichen, deren Energie ausreichend die Überwindung des Bremsfeldes ist, d. h. der uffängerstrom (nodenstrom I ) wird verkleinert. Maxima sind sehr flach, nodenstrom klein: Saugspannung U erhöhen (ggf. bei Hg-Rohr Ofentemperatur senken) Kurve ist schlecht ausgeprägt: Gegenspannung U 3 verändern Maxima sind zu hoch (Kurve wird oben abgeschnitten): Saugspannung U verkleinern oder/und Gegenspannung U 3 vergrößern Minima laufen gegen Null (Kurve wird unten abgeschnitten): Gegenspannung U 3 verkleinern oder/und Saugspannung U vergrößern. Nur Hg-Röhre Durch Erhöhen der Ofen- und Röhrentemperatur wird der Hg-Dampfdruck und damit die Stoßwahrscheinlichkeit Elektronen erhöht, der Quer- bzw. uffängerstrom sinkt. uffängerstrom steigt sprunghaft an (Gasentladung infolge einer zu geringen Ofentemperatur): Sofort Beschleunigungsspannung U auf Null oder Betriebsartschalter auf Reset, es ist die Ofentemperatur zu prüfen und ggf. die Einstellung des thermischen Gleichgewichts abzuwarten Kurve sehr flach, insbesondere die ersten Maxima sind nicht ausgebildet: Ofentemperatur ist zu hoch, Temperatur auf Sollwert zwischen 00 C und 80 C einstellen und Einstellung des thermischen Gleichgewichts abwarten 3. Nur Ne-Röhre Bei fest angelegter Beschleunigungsspannung U 70V sollten sich bei Erhöhen der Saugspanung U drei sichtbare Leuchtscheibchen zwischen den Gittern G und G ausprägen. Falls dem nicht so ist, muss möglicherweise die Kathodenheizspannung verändert werden (Praktikumstechniker benachrichtigen). Für die punktweise ufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie ist U auf jeden Fall wieder zu reduzieren, um ein zu frühes bschneiden der Kurve am oberen Rand (Clipping) zu verhindern. letzte Änderung: