Seminar und Praktikum zur Didaktik der Physik
Versuchskarte zu experimentellen Themen
 
Datum: 23.09.07
Titel:  Franck-Hertz-Versuch




unilogo.gof
Versuchsnr.: --

Namen: Andreas Kaldun

Gruppe:  D

DP Physik

 
Versuchsaufbauten
mit Parametern
 
Die Beschleunigungsspannung sollte ca 50V betragen, der Strom liegt in der Größenordnung von 100pA. Bei 453K herrscht ein Gasdruck von 20mbar in der Röhre. Hierbei ist ein gutes Ergebnis erzielbar, wobei bei 423K das erste Minimum ausgprägter ist.
Geräte
mit Firmenangabe
Franck-Hertz-Röhre (Neva - Nr. 6751)
Heizofen passend zur Röhre (Neva - Nr. 6752 mit Frontplatte Nr. 6753)
Netzgleichrichter (Neva - Nr. 5211)
Oszilloskop (Hersteller beliebig, digital bevorzugt)
Koaxialkabel
Adapter von dem Ausgang der Röhre auf das Koaxialkabel
Anschlusskabel
Durchführung
Wenn der Versuch zeitnah vorgeführt werden soll, ist es wichtig zunächst den Heizofen mit Strom zu versorgen, da dieser sehr lange braucht (>30 Min), um Betriebstemperatur zu erreichen. Anschließend schließt man den nicht regelbaren Ausgang des Netzgleichrichters an die Anschlüsse für die Beschleunigungsspannung (die unteren beiden) an. Danach wird die bis 50V regelbare Spannungsquelle des Netzgleichrichters an die Anschlüsse für die Gegenspannung angeschlossen (die rechten beiden). Hierbei ist zu beachten, dass der negative Pol der Beschleunigungsspannung umbedingt an den rechten unteren Anschlus (in dem schon ein Stecker ist) angeschlossen wird, da dieser zur Kathode geht. Diese Spannung wird parallel dazu abgegriffen und an den ersten Eingang des Oszilloskopes angeschlossen (sie wird nachher über die horizantale Achse aufgetragen) Dann kann man die Franck-Hertz-Röhre mit dem Koaxialkabel per Adapter am zweiten Eingang des Oszilloskop anschliessen (die Stromstärke wird in vertikale Richtung aufgetragen). An die Erde des zweiten Kanals des Oszilloskopes (an dem wir gerade das Koaxialkabel angeschlossen haben) kommt nun ein Kabel, das mit dem negativen Pol einer 1.5V Batterie verbunden wird. Der Positive Pol der Batterie wird dann mit der Anode (dem rechten mittleren Anschluss am Ofen, in dem schon zwei Stecker sind) verbunden.
Nach der Vorheizzeit (30 Min. für den Ofen, 1.5 Min für die Kathode) kann es losgehen. Man muss den Bereich im Oszi etwas suchen, um die Kurve optimal sehen zu können. Da die Einstellungen je nach Temperatur (mehr dazu siehe unten) variieren, ist eine pauschale Angabe nicht möglich, mit den im Kapitel "Versuchsaufbau" (oben bei den Bildern) angegebenen Werten ist aber ein akzaptables Ergebnis zu erzielen.


Resultate
möglichst quantitative
Als vorzeigbares Ergebnis erhält man ein Strom-Spannungs-Diagramm, an Hand dessen man ein Quantenmechanisches Ergebnis abhleiten kann. Die Form der Kurve ist die Faltung einer periodischen (sinusähnlichen) Funktion mit einer Geraden (Steigung ungleich Null). So lässt sich die Form der erhaltenen Kurve derart interpretieren, dass die lokalen Minima immer dann auftreten, wenn die Energie der beschleunigten Elektronen gerade ausreicht um die Elektronen im Atom anzuregen, was der Quantentheorie folgend nur bei diskreten Energiewerten der Fall ist. Da die Minima einen endlichen Abstand besitzen, hat man so einen ersten Hinweis auf die Energiequantelung innerhalb der Atome erhalten.
Bemerkungen

Tricks
Die Anleitung, die im Datenpool unter "FraHe" steht (wobei sich die Beschriftung leicht mit "Fratte" verwechseln lässt), gibt einen guten Überblick (mit Bildern) zum Versuch und den Messdaten, die man als Strom-Spannungs-Diagramm auf dem Oszi auftragen kann.
Noch ein paar Worte zum Ofen, denn es schien mir so, dass der Bimetallschalter nicht sonderlich zuverlässig funktioniert hat, da er in verschiedenen Stellungen die Temperatur nicht gehalten, sondern weitergeheizt hat. Durch ein wenig "herumspielen" konnte ich aber dennoch ein einigermaßen konstantes Temperaturniveau erreichen. Die Strom-Spannungs-Kurve zeigt sich aber sehr gutmütig in Bezug auf kleine Temperaturschwankungen und -gradienten, wohl deshalb, weil das Quecksilbergas sich nach der kältesten Stelle in der Röhre richtet. Insgesamt ist der Versuch sehr schwer zu justieren. Wenn er nach dem justieren wieder ausgeschaltet wurde, ist leider schlecht vorhersagbar, ob er beim Wiederanschlten ohne Veränderung der Einstellungen wieder ein gleichgutes Resultat liefert wie zuvor, von daher sollte er direkt vorm Vorführen justiert werden (der Ofen hält, sofern man die richtige Stellung des Bimetallschalters gefunden hat die Temperatur auch gut zwei bis drei Stunden).
Literatur "Experimentalphysik 3", von Wolfgang Demtröder, erschienen im Springer-Verlag, 4. Auflage, 2006
"Atom- und Quantenphysik", von Hermann Haken und Hans-Christian Wolf, erschienen im Springer-Verlag , 7. Auflage, 2004
Anleitung von Neva zur Franck-Hertz-Röhre