DER FRANCK HERTZ VERSUCH

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1 DER FRANCK HERTZ VERSUCH I. EINLEITUNG... 1 II. DIE WISSENSCHAFTLER... 2 Gustav Ludwig Hertz 2 James Franck 2 III. VERSUCH VON LENARD... 3 Versuchsaufbau 3 IV. VERSUCH VON FRANCK UND HERTZ... 4 Versuchsaufbau: 4 Zusatzbemerkungen: 7 Quellenangaben: 7 I. Einleitung»...der Stoß von Elektronen auf Atome. Wir hatten ihn untersucht als ein Vorgang, der in der Gasentladung eine Rolle spielt, aber die Wechselwirkung zwischen Elektron und Atom ist natürlich ein Problem der Atomphysik, und der Versuch, der jetzt als Franck-Hertz-Versuch bekannt ist, der war das Ergebnis dieser Arbeiten, für den haben wir ja später auch den Nobelpreis bekommen. Das Ergebnis dieses Versuches war, daß die Elektronen am Quecksilberatome keine Energie abgeben beim Zusammenstoß, solange ihre Energie einen gewissen Schwellenwert nicht erreicht. Das wichtigste Resultat unserer Versuche war einmal, daß dieser Schwellenwert existierte, und zum anderen, daß er genau gleich dem Planckschen Energiequantum für die Resonanzlinie des Quecksilberdampfes war. Nun, das brauche ich hier nicht im Einzelnen auseinanderzusetzen. Wir deuteten es also in diesem Sinne. In Wirklichkeit war es eine wichtige Bestätigung der Grundannahmen der neuen Bohrschen Theorie des Atoms. Wir haben das selbst damals noch nicht voll verstanden, es hat sich dann kurz hinterher herausgestellt. Wir hätten es wahrscheinlich selbst auch gemerkt, aber damals wurden unsere Untersuchungen durch den Krieg unterbrochen und mußten also zunächst ruhen.«rede G. Hertz' in einem Dokumentarfilm 1

2 II. Die Wissenschaftler Gustav Ludwig Hertz 1887 geboren in Hamburg Hertz studierte an den Universitäten Göttingen, München und Berlin 1925 Nobelpreis für Hertz und den amerikanischen Physiker für den experimentellen Nachweis von Elektronenstößen Professor für Experimentalphysik an der Universität Halle Professor an der Technischen Hochschule Berlin Direktor im Siemens-Forschungslaboratorium Berlin ab 1945 Atomforschung in der ehem. UdSSR 1951 Hertz erhält den Stalinpreis 1975 Tod Hertz James Franck 1882 geboren in Hamburg; Studium an den Universitäten Heidelberg und Berlin Professor für Physik an versch. Universitäten in Deutschland und den USA 1925 Nobelpreis für Franck und Hertz Auch bei der Untersuchung der Photosynthese leistete Franck bedeutende Beiträge 1964 Tod Francks Mehr zu den geschichtlichen Daten der beiden Physiker findet man unter: 2

3 III.Versuch von Lenard Versuchsaufbau: Schon 1902 hatte Philipp Lenard Stöße von Elektronen mit Atomen untersucht, und gezeigt, dass Elektronen eine Minimumsenergie besitzen müssen um Ionisation zu bewirken. Dabei werden die durch Glühemission erzeugten freien Elektronen durch die Gitterspannung U G beschleunigt und gelangen so in den Versuchsraum. Zwischen dem Gitter g und der Auffängerplatte A liegt die Spannung U A an. Die Platte A ist dabei gegenüber dem Gitter negativ aufgeladen. Dies bewirkt nun eine Abbremsung der vom Gitter G austretenden Elektronen. Die Spannung U A wird nun so gewählt, dass die Elektronen nicht genügend kinetische Energie besitzen um gegen das Feld anzulaufen, somit fallen sie zurück auf das Gitter G. Wenn aber die kinetische Energie der einfallenden Elektronen ausreicht um die Gasatome zu ionisieren, dann entsteht ein positiv geladenes Ion, welches nun durch das zwischen Gitter G und Auffängerplatte herrschende Potential beschleunigt wird. Dadurch kann man Ionisationsprozesse als Strom am Auffänger messen. Das Ergebnis dieser ist in folgender Grafik dargestellt: Dabei ist der positive Ionenstrom in Abhängigkeit der Gitterspannung U G aufgetragen. Der Strom setzt erst bei einer gewissen Spannung U Gi abrupt ein. Die Elektronen brauchen also eine Mindestenergie E = e.u Gi um die Gasatome zu ionisieren, dabei kann man U Gi als Ionisationspotential bezeichnen. Wie schon erwähnt erfolgte das Experiment schon Erst 11 Jahre später konnten Franck und Hertz zeigen dass man mit Elektronenstößen die Existenz diskreter Energieniveaus im Atom unabhängig von der optischen Spektroskopie nachweisen kann. Der von Franck und Hertz verwendete Versuchsaufbau ähnelt dabei sehr dem von Lenard verwendeten. Lenard war es auch der 1900 die wichtigsten Gesetzmäßigkeiten des lichtelektrischen Effekts aufdeckte: Bei wachsender Lichtintensität wächst zwar die Zahl der ausgelösten Elektronen, aber deren Geschwindigkeit bleibt unverändert. Die Elektronengeschwindigkeit ist ausschließlich von der Frequenz des eingestrahlten Lichts abhängig wird Lenard für seine Arbeit mit Kathodenstrahlen der Nobelpreis für Physik verliehen. 3

4 1936 bekommt Lenard als erstes den von der Nationalsozialistischen Deutschen Arbeiterpartei (NSDAP) verliehenen Wissenschaftspreis. Lenards vierbändiges Lehrbuch für Experimentalphysik "Deutsche Physik" erscheint: Demnach könne wahre Naturkenntnis nur von der "arischen Rasse" gewonnen werden. Die Arbeiten Einsteins bezeichnet Lenard als "Jahrmarktslärm" und "Judenbetrug". Versuchsaufbau: IV. Versuch von Franck und Hertz Im Gegensatz zum schematischen Aufbau von Lenard bedeutet hier U G Gegenspannung und nicht mehr Gitterspannung (= Beschleunigungsspannung)! Wie beim Versuch von Lenard befindet sich aber in einer evakuierten Glasröhre eine geringe Menge Quecksilber (Hg). Die Gitterspannung U B ist wieder variabel. Zwischen der Auffängerplatte und dem Gitter legt man jedoch nun beim Franck-Hertz Versuch eine kleinere und somit überwindbare Potentialdifferenz an. Wird nun eine Spannung U B wischen Kathode und Gitter gelegt, so werden die aus der Glühkathode austretenden Elektronen zum Gitter hin beschleunigt. Danach durchlaufen diese einen mit Quecksilber gefüllten Versuchsraum und gelangen zum Auffänger. Liegt nun zwischen Gitter und Anode eine Gegenspannung U G an, so können nur diejenigen Elektronen zur Anode gelangen, deren kinetische Energie größer ist als e U G : E kin = ½mv 2 > e U G (1) Dieser Effekt wird nun im Franck-Hertz-Versuch ausgenutzt: Auf dem Weg zwischen Gitter und Anode können die Elektronen durch unelastische Stöße mit den Hg-Atomen einen Teil ihrer kinetischen Energie abgeben. Beim elastischen Stoß verlieren sie keine Energie, diese Vorgänge finden hpts. bei geringer Beschleunigungsspannung statt, da hier die Energie zur Anregung noch nicht ausreicht. Sinkt durch die Stöße ihre kinetische Energie unter 4

5 den Wert e U G, so können sie nicht mehr die Anode erreiche, als Folge geht der Anodenstrom stark zurück. Die Quecksilberatome können aufgrund ihrer diskreten Energieniveaus nur ganz bestimmte Energien aufnehmen, welche den Differenzen E zwischen den Energien von Grundzustand (E 0 ) und angeregten Zuständen (E 1, E 2,...) entsprechen: E = E 1 - E 0, E 2 - E 0,... (2) Der niedrigste angeregte Zustand des Quecksilbers liegt 4,89 ev über dem Grundzustand. Dies ist dann auch die kleinste Energie, die ein Elektron durch unelastische Stöße mit den Hg- Atomen verlieren kann. Die Hg-Atome geben diese Anregungsenergie wieder in Form von ultraviolettem Licht ab: somit ergibt sich: h ν = E 1 - E 0 (3) c h c λ = = ν E E 1 0 = 253, 7 nm (4) Quecksilber hat bei Raumtemperatur einen Dampfdruck von etwa 100 Pa (1 mbar). Damit solche Stöße mit großer Wahrscheinlichkeit stattfinden können, ist eine gewisse Hg- Dampfdichte erforderlich. Diese wird bei etwa 170 C erreicht (Hg-Dampfdruck 20 mbar). Bei niedrigeren Temperaturen sinkt infolge geringerer Hg-Dampfdichte die Zahl der unelastischen Stöße, wodurch der Einfluss auf den Anodenstrom reduziert wird (a). Bei höheren Temperaturen führt die erhöhte Stoßwahrscheinlichkeit zu einer geringen Modulation des Anodenstromes (c). Bei optimaler Dampfdichte ist die Modulation deutlich zu erkennen (b). Kennlinien bei verschiedenen Röhrentemperaturen. a) Röhre zu kalt, b) Röhre richtig temperiert, c) Röhre zu heiß. Wie schon oben erwähnt liegt die Anregungsenergie des Quecksilbers bei ca. 5 ev. Beim Hochfahren der Beschleunigungsspannung steigt auch der Auffängerstrom. Erreicht man aber jetzt die 5 V so sinkt der Strom stark ab da die Elektronen ihre kinetische Energie an das Quecksilberatom abgegeben haben und dadurch nicht mehr genügend Energie besitzen um die Gegenspannung zu überwinden. Bei weiterer Steigerung der Spannung wird der Strom wieder ansteigen, erst bei 10 V wird wieder ein Rückgang festzustellen da die Elektronen nun genügend Energie besitzen um zwei Stöße durchzuführen. Damit ergibt sich folgende Messkurve: 5

6 Um das Auflösungsvermögen zu steigern kann man eine indirekt geheizte Kathode und einen feldfreien Stoßraum verwenden. Dadurch erreicht man eine größere Homogenität der Energien der beteiligten Elektronen. Dabei erfolgt der Stoß im feldfreien Raum zwischen den beiden Gittern: Tatsächlich erhält man so eine Vielzahl von Strukturen. Diese entsprechen weiteren Anregungsstufen des Atoms, so z.b.: die Stufe bei 6,73 ev, diese entspricht einer weitern sehr intensiven Linie des Hg-Spektrums: 6,73 ev entsprechen 185 nm. Jedoch lassen sich nicht alle Maxima der Kurve zu beobachteten Spektrallinien zuordnen. Daher muss angenommen werden dass bei Anregung durch Stoß auch optisch verbotene Übergänge möglich sein können. 6

7 Zusatzbemerkungen: Strahlt man z.b.: die gelbe Na Linie (2,11 ev) in Na Dampf unter niedrigem Druck ein, so kann dieser ebenfalls zum leuchten angeregt werden. Jedoch erfolgt die Anregung nur, wenn die Energie der eingestrahlten Photonen genau der Anregungsenergie entspricht. Sowohl zu kleine als auch zu große Energien führen zu keiner Anregung. Elektronen verhalten sich anders: Anregung erfolgt auch mit zu hoher Energie. Die Ursache hierfür liegt in der nicht gequantelten Energie der freien Elektronen. Nach dem Stoß und der Anregung kann bei zu hoher Energie daher ein Betrag an kinetischer Energie übrigbleiben, und wenn groß genug noch weitere Atome anregen. Die Elektronenstoß Versuche beweisen also die Existenz von diskreten Energieniveaus in Atomen und sind somit die Bestätigung der Grundannahme der Bohrschen Theorie. Quellenangaben, Kontakt: Haken, Wolf: Atom- und Quantenphysik; Springer 2004; 8. Auflage Demtröder: Experimentalphysik 3; Springer 2000; 2. Auflage 7