3B SCIENTIFIC PHYSICS

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1 B SCINTIFIC PHYSICS Kritische-Potenziale-Röhre S mit Ne-Füllung Bedienungsanleitung 0/5 LF BNC-Buchse 2 Glasbeschichtung auf nodenpotenzial Kollektorring node 5 lektronenkanone 6 Heizwendel 7 Stiftkontakt node 8 Stiftkontakte Heizung 9 Führungsstift 0 Stiftkontakt Katode. Sicherheitshinweise Glühkatodenröhren sind dünnwandige, evakuierte Glaskolben. orsichtig behandeln: Implosionsgefahr! Röhre keinen mechanischen Belastungen aussetzen. nschlusskabel des Kollektorrings keinen Zugbelastungen aussetzen. Die Röhre nur in den Röhrenhalter S (0525) einsetzen. Zu hohe Spannungen, Ströme sowie falsche Katodenheiztemperatur können zur Zerstörung der Röhre führen. Die angegebenen Betriebsparameter einhalten. Schaltungen nur bei ausgeschalteten ersorgungsgeräten vornehmen. Röhren nur bei ausgeschalteten ersorgungsgeräten ein- und ausbauen. Im Betrieb wird der Röhrenhals erwärmt. Röhre vor dem usbau abkühlen lassen. Die inhaltung der C-Richtlinie zur elektromagnetischen erträglichkeit ist nur mit den empfohlenen Netzgeräten garantiert. 2. Beschreibung Die Kritische-Potenziale-Röhre S mit Ne-Füllung dient zur quantitativen Untersuchung des inelastischen Stoßes von lektronen mit delgasatomen, zur Bestimmung der Ionisationsenergie sowie zur uflösung von nergiezuständen verschiedener Haupt- und Bahndrehimpulsquantenzahlen. Die Kritische-Potenziale-Röhre besitzt eine lektronenkanone mit direkt geheizter Wolfram- Glühkatode und zylinderförmiger node in einem evakuierten und mit Neon gefüllten Glaskolben. Die Innenseite des Glaskolbens ist leitend beschichtet und mit der node verbunden. Der Kollektorring ist so im Innern des Glaskolbens platziert, dass der divergente lektronenstrahl ihn nicht direkt erreichen kann. Die Batterieeinheit dient zur Bereitstellung der Kollektorspannung UR zwischen node und Kollektorring. Ist die Kollektorspannung positiv, so werden genau die lektronen, die beim inelastischen Stoß mit einem Neonatom ihre kinetische nergie nahezu vollständig abgegeben haben, zum

2 Kollektor abgelenkt und gesammelt. Die Maxima der resultierenden lektronenstromkurve (Kollektorstrom vs. nodenspannung) entsprechen den nregungsenergien im Neonatom. Ist die Kollektorspannung negativ, so werden positive Neonionen zum Kollektor abgelenkt und gesammelt. us dem erlauf der resultierenden Ionenstromkurve (Kollektorstrom vs. nodenspannung) lässt sich die Ionisationsenergie für das Neonatom ablesen.. Lieferumfang Kritische-Potenziale-Röhre S mit Ne-Füllung Batterieeinheit (Batterie nicht enthalten) bschirmung Bedienungsanleitung Gasfüllung: Kathodenheizung: nodenspannung: nodenstrom: Kollektorspannung: Kollektorstrom: Glaskolben: Gesamtlänge:. Technische Daten Neon Kritische Potenziale des Neon: 2p 5 s : 2p 5 p : 2p 5 s : 2p 5 p : 2p 5 d : Ionisation: UF 7 DC U 60 I 0 m UR =,5 IR 200 p ca. 0 mm Ø ca. 260 mm 6,6 e 8, e 9,7 e 20, e 20,6 e 2,6 e 5. Zusätzlich erforderliche Geräte Zum Betrieb der Röhre: Röhrenhalter S 0525 Steuereinheit für Kritische-Potenziale-Röhren (5 oder 20 ) 0006 / DC-Netzgerät, 0 20 (5 oder 20 ) 00 / 002 oder Betriebsgerät für Franck-Hertz-xperiment (5 oder 20 ) 0289 / 0288 Zur Messwerterfassung: nalog-oszilloskop 2x0 MHz HF-Kabel BNC / -mm-stecker oder B NTlog TM (5 oder 20 ) / B NTlab TM 0005 Computer Batterie,5 Satz 5 Sicherheits-xperimentierkabel Bedienung 6. insetzen der Röhre in den Röhrenhalter Röhre nur bei ausgeschalteten ersorgungsgeräten ein- und ausbauen. Röhre mit leichtem Druck in die Fassung des Röhrenhalters schieben bis die Stiftkontakte vollständig in der Fassung sitzen, dabei auf eindeutige Position des Führungsstiftes achten. 6.2 ntnahme der Röhre aus dem Röhrenhalter Röhre vor dem usbau abkühlen lassen. Zum ntnehmen der Röhre von hinten auf den Führungsstift drücken bis sich die Kontaktstifte lösen. Dann die Röhre entnehmen. 7. xperimentierbeispiel Bestimmung der kritischen Potenziale des Neonatoms 7. llgemeine Hinweise Der xperimentieraufbau mit der Kritische- Potenziale-Röhre ist sehr empfindlich gegen elektromagnetische Störquellen (Computer, Leuchtstoffröhren etc.). xperimentierplatz so wählen, dass elektromagnetische Störquellen vermieden werden. 2

3 Schaltschema R C U F U Zur Halbierung der Kollektorspannung kann der Pluspol der Steuereinheit mit Buchse B des Batteriehalters verbunden werden. Zur ufzeichnung der Ionenstromkurve wird die Polarität der Batterie vertauscht, um eine negative Kollektorspannung zu erreichen. Die Messwerte für den Strom sind dann positiv. R: Kollektorring : node C: Kathode p 7.2 xperimentieraufbau mit der Steuereinheit für Kritische-Potenziale-Röhren Röhre in den Röhrenhalter einsetzen. Bereitstellung der Heizspannung UF: Buchse F des Röhrenhalters mit dem Pluspol des usgangs des DC-Netzgerätes und F mit dem Minuspol verbinden. (siehe Fig. ) Bereitstellung der Beschleunigungsspannung U: Buchse C5 des Röhrenhalters mit dem Minus-Pol des usgangs der Steuereinheit und mit dem Minuspol des DC-Netzgerätes verbinden. Buchse des Röhrenhalters mit dem Pluspol des usgangs der Steuereinheit verbinden. Bereitstellung der Kollektorspannung UR: bschirmung über die Röhre stülpen und mit der Falzkante in die ufnahme des Röhrenhalters schieben, so dass sich die Röhre vollständig innerhalb der bschirmung befindet. Dann mit einer Massebuchse der Steuereinheit verbinden. nschlusskabel des Kollektorrings an den BNC-ingang der Steuereinheit anschließen. Batterie gemäß der Polarität in den Batteriehalter klemmen. Pluspol des usgangs der Steuereinheit mit dem Minuspol der,5--batterie verbinden. Pluspol der,5--batterie mit einer Massebuchse der Steuereinheit verbinden. Hinweis: Die Kollektorspannung ist nun positiv wie zur ufzeichnung der lektronenstromkurve erforderlich. Die Messwerte für den Strom sind in diesem Fall negativ. U R 7.2. Durchführung mit dem B NTlog TM Minimale Spannung an usgang der Steuereinheit auf ca. 0 und maximale Spannung auf ca. 5 stellen; dazu mit B NTlog TM die um den Faktor 000 kleineren Spannungen zwischen Buchse und Masse bzw. Buchse und Masse messen. lternativ können die Spannungen mit Hilfe eines Multimeters eingestellt werden. B NTlog TM an Computer anschließen. usgang Fast der Steuereinheit an ingang und usgang Fast 2 an ingang B des B NTlog TM anschließen. (siehe Fig. 2) B NTlog TM einschalten und Computerprogramm B NTlab TM starten. Messlabor auswählen und einen neuen Datensatz anlegen. nalogeingänge und B auswählen und jeweils im Gleichspannungsmodus (DC) für den Messbereich 200 m und für B den Messbereich 2 einstellen. Formel I = -667 * Input_B (inheit p) eintragen. Messintervall = 50 µs, Messzeit = 0,05 s und Modus = Standard wählen. Triggerung an ingang mit steigender Flanke (20%) aktivieren. m DC-Netzgerät eine Heizspannung von ca.,5 einstellen. ufzeichnung der Messwerte starten. Diagramm erstellen, in dem die X-chse mit der rel Zeit in s und die Y-chse mit der Größe I belegt ist. Immer wieder die Messwerte neu aufzeichnen, dabei die Heizspannung etwas erhöhen und die minimale und die maximale Beschleunigungsspannung U variieren, um die Messkurve zu optimieren. Im Spektrum den 2p 5 S -Peak bei 6,6 e identifizieren und seine Position t auf der Zeitachse bestimmen. Ionisationsgrenze bei 2,6 e identifizieren und deren Position t2 auf der Zeitachse bestimmen. Neue Formel mit dem Namen und der Definition 6,6 + 5 * (t - t)/(t2 - t) mit der

4 inheit e eintragen; dabei für t und t2 die gefundenen Zahlenwerte in s einsetzen. Diagramm erstellen, in dem die X-chse mit der Größe und die Y-chse mit der Größe I belegt ist (siehe Fig. ). Zur ufzeichnung der Ionenstromkurve die Polarität der Kollektorspannung vertauschen. C5 F F Battery Unit OUT 200 m! HRTZ TUB CONSOL MX ST MIN 0...± OLT OUT 0...± OLT OUT SLOW 2 SLOW 2 FST 2 RUN RING Fig. xperimentieraufbau mit der Steuereinheit für Kritische-Potenziale-Röhren + 60 OUT 200 m! HRTZ TUB CONSOL MX ST MIN Channel Rate Store On/Off Date/Time 0...± OLT OUT 0...± OLT OUT SLOW 2 SLOW 2 FST 2 RUN RING I in + U out U+ in UB out UB+ in Fig. 2 nschluss des B NTlog TM an das Steuergerät für Kritische-Potenziale-Röhren

5 Fig. : Bestimmung der kritischen Potenziale des Neonatoms (Messkurve aufgenommen mit dem B NTlog TM ) nregungsenergien bei 6,6 e (2p 5 s -Niveau), 8, e (2p 5 p -Niveau), 9,7 e (2p 5 s -Niveau), 20, e (2p 5 p -Niveau) und 20,6 e (2p 5 d -Niveau) und Ionisationsenergie bei 2,6 e Durchführung mit einem Oszilloskop usgang Fast der Steuereinheit an Channel (X-blenkung) und usgang Fast 2 an Channel 2 (Y-blenkung) des oszilloskops anschließen. (siehe Fig. ) Minimale Spannung an usgang der Steuereinheit auf ca. 0 und maximale Spannung auf ca. 5 stellen; dazu mit einem Multimeter die um den Faktor 000 kleineren Spannungen zwischen Buchse und Masse bzw. Buchse und Masse messen. m DC-Netzgerät eine Heizspannung von ca.,5 einstellen. Oszilloskopeinstellungen: Channel : 50 m/div Channel 2: 0,2 /Div Time-Base: 5 ms Trigger auf Channel Heizspannung, untere und obere Grenze der Beschleunigungsspannung sowie die Oszilloskopparameter variieren, bis eine optimale Kurve erscheint. Zur ufzeichnung der Ionenstromkurve die Polarität der Kollektorspannung vertauschen. OSCILLOSCOP + 60 OUT! 200 m MX HRTZ TUB CONSOL ST MIN 0...± OLT OUT 0...± OLT OUT SLOW 2 SLOW 2 FST 2 RUN RING CH (X) CH2 (Y) XT Fig. nschluss eines Oszilloskops an das Steuergerät für Kritische-Potenziale-Röhren 5

6 x Y 7. xperimentieraufbau mit dem Betriebsgerät für Franck-Hertz-xperiment Röhre in den Röhrenhalter einsetzen. Bereitstellung der Heizspannung UF: Buchse F des Röhrenhalters mit Buchse F am Betriebsgerät für Franck-Hertz- xperiment und Buchse F mit Buchse K verbinden. (siehe Fig. 5) Bereitstellung der Beschleunigungsspannung U: Buchse C5 des Röhrenhalters mit Buchse K am Betriebsgerät und Buchse mit Buchse verbinden. Hinweis: Die Bereitstellung der Kollektorspannung UR erfolgt intern im Betriebsgerät für Franck-Hertz- xperiment. Sie kann zwischen 0 und 2 variiert werden und ist positiv, wenn die eingestellte Gegenspannung negativ angezeigt wird. Die so gemessenen Werte für den lektronenstrom sind negativ. bschirmung über die Röhre stülpen und mit der Falzkante in die ufnahme des Röhrenhalters schieben, so dass sich die Röhre vollständig innerhalb der bschirmung befindet. Dann mit einer Massebuchse des Betriebsgeräts für Franck-Hertz-xperimen verbinden. nschlusskabel des Kollektorrings an den BNC-ingang des Betriebsgerätes anschließen. BTRIBSGRÄT FRNCK-HRTZ/OPRTING UNIT FRNCK-HRTZ C5 F F F Heizung Filament U F Gitter/Grid 0 2 U G Beschleunigung/cceleration Reverse bias U min U max U Man/Ramp +/- K G 0 U = U + 0 U = I * Fig. 5 xperimentieraufbau mit dem Betriebsgerät für Franck-Hertz-xperiment 7.. Durchführung mit dem B NTlog TM B NTlog TM ans Betriebsgerät für Franck- Hertz-xperiment anschließen. (siehe Fig. 6) Dazu usgang Ux des Betriebsgeräts für Franck-Hertz-xperiment an ingang und usgang Uy an ingang B des B NTlog TM anschließen. m Betriebsgerät im Modus Rampe eine minimale Spannung von ca. 0 und eine maximale Spannung von ca. 5 einstellen. Heizspannung von ca.,5 und Kollektorspannung von ca. -,5 wählen. instellungen am Interface B NTlog TM sowie Computerprogramm B NTlab TM und Messwertaufzeichnung wie unter Punkt 7.2. beschrieben vornehmen. Heizspannung, untere und obere Grenze der Beschleunigungsspannung, Kollektorspannung sowie die erstärkung variieren, bis eine optimale Kurve erscheint. Zur ufzeichnung der Ionenstromkurve die Polarität der Kollektorspannung vertauschen Durchführung mit einem Oszilloskop usgang Ux des Betriebsgeräts für Franck- Hertz-xperiment an Channel (X- blenkung) und usgang Uy an Channel 2 (Y-blenkung) des Oszilloskops anschließen. (siehe Fig. 7) m Betriebsgerät im Modus Rampe eine minimale Spannung von ca. 0 und eine maximale Spannung von ca. 5 einstellen. Heizspannung von ca.,5 und Kollektorspannung von ca. -,5 wählen. Oszilloskopeinstellungen: Channel : 50 m/div Channel 2: 0,2 /Div Time-Base: 5 ms Trigger auf Channel Heizspannung, untere und obere Grenze der Beschleunigungsspannung, Kollektorspannung, erstärkung sowie die Oszilloskopparameter variieren, bis eine optimale Kurve erscheint. Zur ufzeichnung der Ionenstromkurve die Polarität der Kollektorspannung vertauschen. 6

7 BTRIBSGRÄT FRNCK-HRTZ/OPRTING UNIT FRNCK-HRTZ Heizung Filament Gitter/Grid Beschleunigung/cceleration Reverse bias F U F 0 2 U G 0 80 U min 0 80 U max 0 2 U Man/Ramp +/- Channel Rate Store On/Off Date/Time K G 0 Ux = U+ 0 U = I * Y I in + U out UB out U+ in UB+ in Fig. 6 nschluss des B NTlog TM an das Betriebsgerät für Franck-Hertz-xperiment BTRIBSGRÄT FRNCK-HRTZ/OPRTING UNIT FRNCK-HRTZ Heizung Filament Gitter/Grid Beschleunigung/cceleration Reverse bias F U F 0 2 U G 0 80 U min 0 80 U max 0 2 U Man/Ramp +/- OSCILLOSCOP K G 0 Ux = U+ 0 U = I * Y CH (X) CH2 (Y) XT Fig. 7 nschluss eines Oszilloskops an das Betriebsgerät für Franck-Hertz-xperiment 7.. Kalibrierung der Messkurve Bei einer Heizspannung von,5 und einer Kollektorspannung von -,5 die untere Grenze der Beschleunigungsspannung auf 0 und die obere Grenze auf 60 einstellen. erstärkung aufdrehen. uf dem Oszilloskopschirm erscheint eine Messkurve, bei der an drei Stellen schwach ausgebildete Strukturen zu sehen sind. Davon sind hier die ersten Strukturen von Interesse. Um diesen Bereich hervorzuheben folgendermaßen weiter verfahren. Obere Grenze der Beschleunigungsspannung auf ca. 5 reduzieren. Dadurch wird auf die Messkurve eingezoomt und die Strukturen werden deutlicher. Um die Messkurve noch größer abzubilden, die erstärkung oder die Heizspannung erhöhen. Gegebenenfalls auch die instellungen am Oszilloskop anpassen. Untere Grenze der Beschleunigungsspannung soweit erhöhen (auf ca. 0 ), bis die Messkurve mit der Flanke zum ersten Peak beginnt. Gegebenenfalls die erstärkung erhöhen, um die Strukturen besser abzubilden. Obere Grenze der Beschleunigungsspannung weiter reduzieren (auf ca. 25 ), bis 7

8 die Messkurve an der Stelle endet, wo die Ionisation einsetzt. Der Bereich der Messkurve, in dem die kritischen Potenziale liegen, ist nun mit klar definierten Grenzen auf dem Oszilloskopschirm abgebildet und die kritischen Potenziale können eindeutig identifiziert werden. B Scientific GmbH Rudorffweg 8 20 Hamburg Deutschland Technische Änderungen vorbehalten Copyright 205 B Scientific GmbH