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Das Franck-Hertz-Experiment

a)

Versuchsaufbau

Gasförmige Quecksilberatome werden mit Elektronen beschossen: Mit der Spannung U_B werden Elektronen von der Glühkathode K zur Netzanode N hin beschleunigt. Bei genügend großer Energie erreichen sie die Anode A und liefern den Strom I_A.

b)Röhre ohne Gas

Elektronen bewegen sich im Vakuum ungestört zum Anodennetz N. Ist U

_B

>2V, können sie gegen die zwischen N und A liegende Gegenspannung U

_G

=2V anlaufen. Nur dann erreichen sie A und das Messgerät registriert den Strom I

_A

. Dieser steigt erst bei U

_B

>2V monoton mit der SpannungU

_B

.

c)Röhre gefüllt mit Hg-Dampf der Temperatur 180°

Der StromI

_A

steigt an, bis U

_B

=4,9V erreicht ist. Bei U

_B

<4,9V geben die (relativ langsamen) Elektronen keine Energie ab; sie werden nur leicht abgelenkt und laufen gegen A an. Diese Stöße sind elastisch d.h. ohne Energieübertragung.

Übersteigt U_B den Wert 4,9V, dann sinkt I_A abrupt ab. Die Elektronen erreichen kurz vor N die Energie 4,9eV. Dort nehmen Hg-Atome diese Energie in nun inelastischen Stößen in ihr Inneres auf: Sie werden angeregt. Die Elektronen verlieren ihre Energie und werden abgebremst. Sie durchqueren zwar noch das Anodennetz N, kehren aber vor A um und landen auf N.

Dieses Absinken tritt mehrfach auf: bei der 2-, 3-, 4- fachen Spannung etc.

d)Bedeutung des Franck-Hertz-Experiments

Die Quecksilber-Atome nehmen die Energie E=4,9eV nicht nur auf, sondern geben diese sofort wieder ab, indem sie Photonen emittieren. Diese haben die Frequenz

(UV-Bereich)

Atome sind „Kurzzeitspeicher“ für Energie. Wir ordnen ihnen scharf begrenzte (=diskrete) Energieniveaus zu.

Zwischen E₁ und E₂ finden Übergänge der Elektronen statt:

• Den Übergang E₁E₂ führt das Atom aus, wenn es den Energiebetrag 4,9eV aufnimmt.
• Beim Übergang zurück (E₂E₁) gibt das Atom den Energiebetrag E_A= E₂–E₁ =4,9eV wieder ab und emittiert dabei ein UV-Quant mit

Bohr’sche Frequenzbedingung:

Geht ein Elektron von einem Zustand hoher Energie E_m in einen Zustand geringerer Energie E_n über, so gibt es Energie an ein Photon ab (Emission):

Beim Übergang vom niedrigen in ein höheres Energieniveau wird ein Photon der Energie

aufgenommen.

Alle Grafiken: Daniela Bednarski