Arbeitsblatt: Der Franck-Hertz-Versuch

Franck-Hertz-Versuch

Mögliche Antworten zum Arbeitsblatt zum Franck-Hertz-Versuch mit Quecksilber.

1. Erkläre den Versuchsaufbau und die Durchführung

In einer wahlweise mit Quecksilber oder Neon gefüllten Röhre befinden sich eine Glühkathode und ihr gegenüber eine Anode. Bei der mit Quecksilber gefüllten Röhre befindet sich zwischen Kathode und Anode zudem ein Gitter mit einer Beschleunigungsspannung von 0–60 V. An der Anode liegt zusätzlich eine Gegenspannung an.

Durch das Erhitzen der Glühkathode (Heizspannung) erhalten einige Elektronen genug Energie, um aus dieser auszutreten. Sie werden daraufhin durch die am Gitter anliegende Spannung beschleunigt und erhalten die Energie E = e · U, wobei e die Elektronenladung ist. Da an der Anode eine Gegenspannung angebracht ist, werden die Elektronen abgestoßen und müssen Energie aufbringen, um sich ihr zu nähern. An der Anode ist daraufhin ein Stromfluss zu beobachten. Dieser sogenannte „Auffängerstrom“ wird gemessen. Daraus lässt sich ermitteln, wie viele Elektronen genug Energie besaßen, um die Anode zu erreichen.

2. Beobachtung und Erklärung

Zwischen der Kathode und der Anode kollidieren einige Elektronen mit den Quecksilberatomen. Dabei ist Folgendes zu beobachten:

• Elastische Stöße: Besitzen die Elektronen eine zu geringe Energie, können sie die Quecksilberatome nicht anregen. Die Zusammenstöße sind elastisch, es wird also keine Energie ausgetauscht. Der Anodenstrom steigt mit der Beschleunigungsspannung an, da viele Elektronen genug Energie besitzen, um die Gegenspannung zu überwinden.
• Unelastische Stöße: Ab einer bestimmten Beschleunigungsspannung kommt es zu einem plötzlichen Absinken des Anodenstroms. Dies liegt daran, dass die Elektronen nun so viel Energie besitzen, dass sie die Quecksilberatome anregen können. Es kommt zu einem unelastischen Stoß, bei dem Energie übertragen wird. Diese kinetische Energie entspricht dabei gerade der Anregungsenergie des Quecksilberatoms von 4,9 eV (bzw. 18,5 eV bei Neon).

Zur Anregung geben die Elektronen ihre Energie ab, können somit der Abstoßung der Anode nicht mehr entgegenwirken und der Auffängerstrom fällt ab. Erhöht man die Beschleunigungsspannung am Gitter weiter, so steigt auch der Auffängerstrom wieder an, bis die Elektronen genug Energie besitzen, um zwei Quecksilberatome anzuregen. Dann bricht er wieder ein und so weiter.

Während des ganzen Versuches kommt es somit zu einem periodischen Vorgang, bei dem der Strom jedes Mal höher ansteigt. Dabei geht der Strom bei einem Minimum nie bis auf 0 zurück, da nicht alle Elektronen mit den Quecksilberatomen zusammenstoßen. Es gibt somit immer welche, die ungehindert die Anode erreichen können. Je höher die anliegende Beschleunigungsspannung, desto mehr Elektronen erreichen ungestört die Anode, sodass der Strom stetig ansteigt.

3. Welche Theorien können mit diesem Experiment bestätigt werden?

Mit Hilfe des Franck-Hertz-Versuches kann gezeigt werden, dass die Energieabgabe von Elektronen nur gequantelt erfolgen kann. Des Weiteren wird durch diesen Versuch das Bohr'sche Atommodell mit seinen Annahmen, dass diskrete Energieniveaus bestehen, bestätigt.