Seminar und Praktikum zur Didaktik der Physik
Versuchskarte zu experimentellen Themen
 
Datum: 4.12.08

Titel: Franck-Hertz-Versuch




unilogo.gof
Versuchsnr.: 02

Namen: Heiko Adler

Gruppe:  C

DP Physik

 
Versuchsaufbauten
mit Parametern

gewählte Einstellungen:
Heizstufe an der Franck-Hertz-Röhre: 7
Messbereich am Messversträker: 100mV, 10^-8 A
Heizspannung: 6,3 V ~     Bremsspannung: 1,5 V (regelt die Auflösung der Minima)
Messbereiche: Auffängerstrom: 0-10V     Beschleunigungsspannung 0-30V
Temperatur in der Röhre: 180-200 °C     Gasdruck: 20-30 mbar (für optimale mittlere freie Weglänge)
Geräte
mit Firmenangabe
Frank-Hertz-Röhre (Neva - Nr. 6751)
Stab. Netzgerät (Neva - Nr. 5225)*
Messerverstärker (7212)*
[* alternativ (falls vorhanden): Betriebsgerät (Neva - Nr. 6749)]
2x Leybold Messgeräte
Thermometer (Anzeige: 0-250°C)
Kabel und Verbindungsstecker
Durchführung
Gerät ca. 5 min vorheizen um gewünschte Temperatur von 180-200°C zu erreichen (optimale Heizstufe bei etwa 7). Zur qualitativen Betrachtung den Regler für die Beschleunigungsspannung langsam hochregeln und den Verlauf des Auffängerstroms beobachten. Ein Bereich von 0-20V ist vollkommen ausreichend.
Resultate
möglichst quantitative
Durchgeführt von James Franck und Gustav Ludwig Hertz (1913), Nobelpreis 1925.
 
[Quelle: http://www.kutl.kyushu-u.ac.jp/seminar/MicroWorld1_E/Part4_E/P43_E/Franck_Hertz_E.jpg]
Bei einem allmählichen Anstieg des Auffängerstrom erkennt man periodische Einbrüche. Diese sind auf unelastische Stöße der Elektronen mit den Hg-Atomen zurückzuführen.
Die Elektronen führen bereits zu Beginn elastische Stöße mit den Hg-Atomen durch. Die Masse der schweren Quecksilber-Atome ist jedoch im Vergleich zu den Elektronen viel größer. Somit kann der Impuls und die damit verbundene Energie, die durch solche Stöße übertragen wird, vernachlässigt werden. Sobald die Energie der Elektronen über 4,9 eV beträgt, können sie inelastische Stöße mit den Hg-Atomen durchführen und diese anregen. Die restliche Energie der Elektronen reicht dann nicht mehr aus um die Gegenspannung zu überwinden, der Auffängerstrom sinkt. Dies setzt sich periodisch fort.
Mit dem Versuch kann nachgewiesen werden, dass Atome Energie nur in gewissen Energiequanten aufnehmen und abgeben können. Bei Hg liegt die typsiche Energie bei 4,9eV.
Bemerkungen
&
Tricks
Alternative Messungen:
 - Aufzeichnung mit über x-y-Schreiber
 - Anschluss ans Oszilloskop (x,y-Messung)
 - Anschluss ans Cassy
Hier jeweils auf die richtige Erdung aufpassen, da sonst die Messungen nicht funktionieren. Probleme können auch bei nicht hochohmigen Schreibern bzw. Oszilloskopen auftreten.

zum Aufbau:
Die Anschlusskabel können auf der Lehrerseite versteckt werden, in dem die Franck-Hertz-Röhre andersherum aufgebaut wird (im Vergleich zum abgebildeten Aufbau - mit der Schaltskizze zum Lehrer und der Glasöffnung zu den Schülern). Vorteile: die Schüler werden nicht durch den Kabelsalat abgelenkt und sehen die Franck-Hertz-Röhre.

Zum Versuch:
Ein Messbereich von einer Beschleunigungsspannung von 0-20 V ist vollkommen ausreichend. Bei zu hohen Spannungen können unerwünschte Effekte durch die Messgeräte entstehen (z.B. plötzliche Messung eines negativen Stroms durch Übersteuerung des Messverstärkers).

Fortführende/anschließende Versuche:
Untersuchung des emittierten Lichtes aus der Franck-Hertz-Röhre mit einem UV-Messgerät. (man erkennt regelrechte Strahlungszonen, je nach Beschleunigungsspanngungen unterschiedlich viele. Bei 4,9V eine einzige direkt bei dem Gitter; bei 9,8V noch eine in der Mitte usw.
Literatur Anleitung von Neva zur Franck-Hertz-Röhre
Demtröder, Wolfgang - Experimentalphysik 3