Franck-Hertz-Versuch Seite 1

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1 T lmenau alisches Grundpraktikum Versuch 5 ufgabenstellung Franck-Hertz-Versuch Seite. Für eine mit Quecksilberdampf gefüllte, beheizte Franck-Hertz-Röhre ist die nodenstrom- eschleunigungsspannungs-kennlinie aufzunehmen und hieraus die nregungsenergie der Hg -tome zu bestimmen.. ei Raumtemperatur ist dieses Experiment auch mit einer Ne -gefüllten Franck-Hertz-Röhre durchzuführen. uftretende Leuchterscheinungen sind zu beobachten und zu diskutieren. Literatur: ecker, J, Jodl, H.-J. Geschke, D. (Hrsg.). Eichler, H. J. Kronfeldt, H.-D. Sahm J. alisches Praktikum Naturwissenschaftler und ngenieure VD-Verlag GmbH, Düsseldorf 99, S alisches Praktikum. G. Teubner GmbH, Stuttgart, Leipzig, Wiesbaden. uflage 00, S Das Neue alische Grundpraktikum Springer-Verlag erlin, Heidelberg, New York. uflage 006, S Grundlagen n 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 ustav Ludwig Hertz führten in den Jahren 9-94 Elektronenstoßexperimente durch, die das ohrsche tommodell stützten und belegten, dass bei unelastischen Stößen auftreffende Elektronen ihre mechanische Energie nur in bestimmten Portionen übertragen und damit das tom anregen können. m vorliegenden Versuchsaufbau wird der Franck-Hertz-Versuch an zwei unterschiedlichen Glasröhren (Quecksilberfüllung, koaxialer ufbau sowie Neonfüllung, planare nordnung der Elektroden, vgl. bb. ) nachempfunden. Heizung K Verstärker G G Schirm bb. : Prinzipieller Versuchsaufbau mit Franck-Hertz-Röhre Diese Versuchsanleitung ersetzt NCHT eine eigenständige usarbeitung des Grundlagenteils hres Versuchsprotokolls! letzte Änderung:.04.06

2 T lmenau alisches Grundpraktikum Versuch 5 Franck-Hertz-Versuch Seite Eine bis zur Rotglut beheizte Kathode K emittiert Elektronen in das Röhreninnere. Diese werden zunächst durch eine kleine positive Spannung zwischen Kathode itter G abgesaugt. Mittels einer einstellbaren Spannung zwischen den Gittern G erfolgt die den Versuch entscheidende eschleunigung 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. st 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 E m 4 E m e max kin, e m, () im Falle von Hg 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 remsfeld zu überwinden und erreichen diese. Während des Experimentes werden Gegenspannung, wie auch die Saugspannung, konstant gehalten. Mit steigender Spannung erhöht sich der nodenstrom 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 remsfeld 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 in Richtung G zu wandern. Während der nodenstrom anfangs noch weiter zurückgeht, ist nach Durchlaufen eines Minimums ein Wiederansteigen beobachtbar. rsache hier ist, dass die Elektronen nach dem unelastischen Stoß im Feld zwischen G genügend Energie aufnehmen konnten, um zu überwinden. ei weiterer Vergrößerung von wiederholt sich der Vorgang periodisch, die - -Kennlinie besteht also aus einer Folge von Maxima und Minima, deren bstände die nregungsenergie E abschätzen lässt. Die Tatsache, dass der Rückgang von 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. e Diese Versuchsanleitung ersetzt NCHT eine eigenständige usarbeitung des Grundlagenteils hres Versuchsprotokolls! letzte Änderung:.04.06

3 T lmenau alisches Grundpraktikum Versuch 5 Messanleitung Franck-Hertz-Versuch Seite Quecksilber- und neongefüllte Franck-Hertz-Röhre sind als Tetroden, bis auf ihre unterschiedliche Elektrodengeometrie, ähnlich konstruiert und können wahlweise über ein Systemkabel mit DN-Stecker an das etriebsgerät 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 etriebsgerät immer erst aus. Stellen Sie sicher, dass bei enutzung der Hg-Röhre auch das NiCr-Ni- Thermoelement des Heizofens ordnungsgemäß angesteckt ist. Die Frontplatte des etriebsgerätes ist in vier edienfelder eingeteilt: ϑ ϑ s uto Reset Man. CSSY Hg: 0...0V 0 Ne: V y x ϑ s V ϑ NiCr Ni FH Röhre S V bb. : Frontplatte des Franck-Hertz-etriebsgerätes. Digitaldisplay mit mschalter die anzuzeigenden Messparameter ϑ s (Solltemperatur des Heizofens Hg -Röhre), ϑ (sttemperatur),,, (eschleunigungsspannung ) und nodenstrom. Weiterhin enthalten sind Einstellknöpfe die Messparameter, und ϑ s sowie eine DN-uchse den nschluss des NiCr-Ni- Thermoelementes.. etriebsartenumschalter die eschleunigungsspannung und Einstellknopf hier bei manuellem etrieb. Zwei LEDs symbolisieren den Status der angeschlossenen Röhre und an die usgangsbuchsen lässt sich ein Messgerät bzw. die x-blenkeinheit eines Oszilloskops anschließen.. V. DN-nschlussbuchse die Franck-Hertz-Röhre. ußer der Massebuchse (Schirm) sind alle anderen Steckverbindungen unbenutzt bzw. abgedeckt. nschlussbuchsen zur Messung des nodenstroms. Dieser hat die Größenordnung einige Nanoampere und wird deshalb im etriebsgerät auf eine gut messbare Spannung ( ) gewandelt. Die Proportionalität zum nodenstrom ist gewährleistet, wobei der realisierte Proportionalitätsfaktor die uswertung der Röhrenkennlinien nicht interessant ist. Diese Versuchsanleitung ersetzt NCHT eine eigenständige usarbeitung des Grundlagenteils hres Versuchsprotokolls! letzte Änderung:.04.06

4 T lmenau alisches Grundpraktikum Versuch 5. Franck-Hertz-Röhre mit Hg -Füllung Franck-Hertz-Versuch Seite 4 Nach nschluss der Röhre über das DN-Kabel wird das etriebsgerät eingeschaltet und eine Solltemperatur des Rohrofens von ϑ s = 00 C eingestellt. st diese erreicht, sollten noch mindestens 5min bis zum bklingen der größeren Regelabweichungen abgewartet werden. Die usprägung von Maxima und Minima der - -Kennlinie hängt empfindlich von den Parametern Röhrentemperatur/ Hg -Dampfdruck, Saugspannung und remsspannung ab. Ziel dieses Versuchsteils ist eine Messung mit 6 gut auswertbaren Strommaxima. st die vorgegebene Temperatur erreicht, kann mit der Optimierung der Spannungen und begonnen werden. Einflussfaktoren wie lter, Einbaulage im Heizofen oder Verdampfungsgrad des Quecksilbers beeinflussen die Röhreneigenschaften, so ist hier nur die ngabe grober Orientierungswerte möglich:,5v, 0 V Man verfolgt in der -etriebsart Sägezahn das ild des im xy- Modus betriebenen Oszilloskops und versucht, durch Variation von und 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 - -Kennlinie erfolgt punktweise im manuellen Modus die Spannung, diese wird am Display im edienfeld abgelesen. Für die Erfassung der dem nodenstrom proportionalen Spannung steht am Versuchsplatz ein Digitalvoltmeter zur Verfügung. Messparameter diesen Versuchsteil: = (0... ) V in Schritten von 0,5V Es empfiehlt sich, die Spannungsschritte an den steileren Kurvenabschnitten etwas feiner einzustellen. Die Messung wird auf jeden Fall abgebrochen, wenn einen Wert von,7 V, das Limit des Spannungsverstärkers im etriebsgerät, erreicht hat.. Franck-Hertz-Röhre mit Ne -Füllung Die neongefüllte Franck-Hertz-Röhre ist auf einer Demonstrationsplatine aufgebaut und wurde zur Vermeidung von rummeinstreuungen elektrisch abgeschirmt. Ein Durchbruch des Gehäuses erlaubt den lick auf das Fluggebiet der Elektronen zwischen den Gittern G. Zur Ermittlung der - -Kennlinie wird analog zu Versuchsteil. vorgegangen. m zur Verfügung stehenden ereich der eschleunigungsspannung sollte die Messkurve gut ausgeprägte Maxima aufweisen, das zugehörige Oszilloskopbild ist rechts dargestellt. Zur groben Orientierung können Sie folgende Werte Saugund remsspannung die Optimierung verwenden: Diese Versuchsanleitung ersetzt NCHT eine eigenständige usarbeitung des Grundlagenteils hres Versuchsprotokolls! letzte Änderung:.04.06

5 T lmenau alisches Grundpraktikum Versuch 5 4,0 V 8,5V Franck-Hertz-Versuch Seite 5 Messparameter diesen Versuchsteil: = (0...80) V in Schritten von V Sobald der nodenstrom bei Erhöhung von übermäßig ansteigt oder den gerätetechnischen Grenzwert von,7 V erreicht hat, wird die Messung beendet. Leuchterscheinungen ei 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 ev unter den angeregten Zuständen liegen. Diese Übergänge sind somit von sichtbarer rot-gelber Lichtemission begleitet und gut beobachtbar. Zur Erzeugung der Leuchterscheinungen wird das etriebsgerät zuerst in den Modus Sägezahn geschaltet und die Saugspannung vorsichtig erhöht. Sobald das periodische Flackern zwischen den Gittern erkennbar ist, wechselt man in den manuellen Modus und erhöht, von Null beginnend, stetig. Die auftretenden Lichtscheibchen, insbesondere ihr Wandern mit Erhöhung der eschleunigungsspannung, sind im Versuchsprotokoll zu schildern und zu interpretieren. 4 uswertung Die - -Kennlinien sind beide untersuchte Franck-Hertz-Röhren in getrennten Diagrammen darzustellen. Das Praktikumsprogramm PhysPract bietet mit seinem earbeitungsfenster Spline-nterpolation ein Hilfsmittel zur Erstellung einer durch die Messpunkte verlaufenden Strom-Spannungs-Kurve. Folgende Zeicheneinstellungen sollten verwendet werden: Stützpunktzahl des nterpolationsgraphen ( 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 (eschleunigungsspannung) werden zur estimmung der nregungsenergie E herangezogen. Hg -Röhre: n einer weiteren Grafik sind die Spannungen,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 erücksichtigung von Messunsicherheiten, mit Tabellenwerten zu vergleichen. Warum geht die usgleichsgerade ( ),i i nicht durch den Koordinatenursprung? Diese Versuchsanleitung ersetzt NCHT eine eigenständige usarbeitung des Grundlagenteils hres Versuchsprotokolls! letzte Änderung:.04.06

6 T lmenau alisches Grundpraktikum Versuch 5 Optimieren der Franck-Hertz-Kurve. Hg - und Ne -Röhre Franck-Hertz-Versuch nhang Durch Vergrößern der Saugspannung wird die Elektronenwolke vor der Kathode abgebaut. Es können mehr Elektronen emittiert werden, d. h. der Querstrom durch die Röhre wird erhöht. ei Erhöhung der Gegenspannung können nur solche Elektronen die node erreichen, deren Energie ausreichend die Überwindung des remsfeldes ist, d. h. der uffängerstrom (nodenstrom ) wird verkleinert. Maxima sind sehr flach, nodenstrom klein: Saugspannung erhöhen (ggf. bei Hg -Rohr Ofentemperatur senken) Kurve ist schlecht ausgeprägt: Gegenspannung verändern Maxima sind zu hoch (Kurve wird oben abgeschnitten): Saugspannung verkleinern oder/egenspannung vergrößern Minima laufen gegen Null (Kurve wird unten abgeschnitten): Gegenspannung verkleinern oder/und Saugspannung vergrößern. 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 eschleunigungsspannung auf Null oder etriebsartschalter 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. Ne -Röhre ei fest angelegter eschleunigungsspannung 70 V sollten sich bei Erhöhen der Saugspanung drei sichtbare Leuchtscheibchen zwischen den Gittern G ausprägen. Falls dem nicht so ist, muss möglicherweise die Kathodenheizspannung verändert werden (Praktikumstechniker benachrichtigen). Für die punktweise ufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie ist auf jeden Fall wieder zu reduzieren, um ein zu frühes bschneiden der Kurve am oberen Rand (Clipping) zu verhindern. Diese Versuchsanleitung ersetzt NCHT eine eigenständige usarbeitung des Grundlagenteils hres Versuchsprotokolls! letzte Änderung:.04.06