Franck-Hertz-Versuch Energieniveaus

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Beim Franck-Hertz-Versuch werden ja bei einem einfachen Versuchsaufbau die von der Glühkathode emittierten Elektronen auf einer Strecke bis zur Anode (Beschleunigungsgitter) hin beschleunigt (und können dort auch mit den Hg-Atomen stoßen), ab dann müssen sie ein umgekehrt gepoltes Gegenfeld (bis zum Auffänger) überwinden, um zum gemessenen Strom beizutragen. Beim Versuch wird nun die Beschleunigungsspannung immer weiter erhöht, und zu jedem Spannungswert der Auffängerstrom gemessen (U-I-Diagramm).

Die erste Anregungsenergie bei Quecksilber (Hg) beträgt etwa 4,9 eV, die zweite 6,7 eV. Es gibt natürlich nicht nur ein Anregungsniveau.

Bei geringer Beschleunigungsspannung (unter 4,9 V) reicht die Energie für einen unelastischen Stoß mit den Hg-Atomen noch nicht aus, bei Erhöhung der Beschleunigungsspannung ist das Ergebnis daher im U-I-Diagramm zunächst ein steigender Auffängerstrom. Haben die Elektronen genug Energie, geben viele daher nun diesen Energiebetrag (erste Anregungsenergie) an die Hg-Atome ab, die Energie der Elektronen reicht nichtmehr zur Überwindung des Gegenfeldes, und es kommt zum „Einbruch“ des Auffängerstroms. Wird die Spannung dann noch weiter erhöht steigt der Auffängerstrom wieder, bis die Elektronen genug Energie für einen zweiten unelastischen Stoß haben, der Auffängerstrom knickt daher ab 9,8 V (entspricht der doppelten Anregungsenergie) wieder ein, usw..

In dem gewöhnlichen U-I-Diagramm haben die Maxima daher dieselben Abstände (4,9 V). Anregungen auf höhere Energieniveaus werden deshalb nicht beobachtet, weil die 4,9 eV-Stöße nunmal sehr wahrscheinlich sind, nur wenige Elektronen kommen auf 6,7 eV ohne vorher schon die 4,9 EV in einem Stoß abgegeben zu haben. Bei dieser einfachen Versuchsdurchführung sind daher (bei der üblichen Messgenauigkeit…) höhere Anregungen nicht wirklich im Diagramm beobachtbar.

Es gibt aber Möglichkeiten zur Bestimmung der höheren Anregungsniveaus, durch Modifikation des Versuchsaufbaus (von denen wurde bei dir im Unterricht offenbar nicht gesprochen. Man kann die Elektronen auf einer kurzen Strecke (bis Anode a1 = Beschleunigungsgitter) beschleunigen und dann in einen weiten „Stoßraum“ leiten (bis Anode a2, gleiches Potential wie a1; erst danach kommt das Gegenfeld), sodass die Elektronen direkt genug Energie für höhere Anregungen haben. Das Ergebnis (U-I-Diagramm) ist dann eine deutlich unübersichtlichere Kurve, wo theoretisch bei allerhand möglichen Gesamt-Anregungsenergien Maxima bzw. Einbrüche des Stroms erkennbar sind. Einmal das Maxima bei 4,9 V, dann bei 6,7 V, bei 9,8 V (2 * 4,9 V), 11,6 V (4,9 V + 6,7 V), 13,4 V (2 * 6,7 V), 14,7 V (3 * 4,9 V), 16,5 V (2 * 4,9 V + 6,7 V) usw..

KAm zwar doch nicht in der Klausur dran. Aber Danke für die ausführliche Antwort.

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Wenn man die Beschleunigungsspannung erhöht, wird die Feldstärke größer,

und die Elektronen erreichen auf kürzerem Weg die Energie für das niedrigste

angeregte Niveau, und verlieren sie wieder. Dann werden sie wieder beschleunigt,

und können nach derselben Strecke wieder ein Atom anregen, usw.

Aber Elektronen, die bei Erreichen der Anregungsenergie zufällig auf kein Atom

gestoßen sind, können eine höhere Energie erreichen, und ein Atom in einen

höheren Anregungszustand befördern. Auch dies zeigt sich im Diagramm.

So weit hab ich nicht gedacht. Aber das mit dem höheren Anregungszustand hat man uns trotzdem nicht gesagt. Danke für die verständliche Erklärung

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@Legenceo

Aber inwiefern zeigt sich das nun im Diagramm?

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@Legenceo

Man sieht dann zusätzliche kleinere Zacken in regelmäßigen Abständen über 4,9V.

RH4488 erklärt das sehr schön.

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