Flammenfärbung und Emissionsspektrum: Theorien bestätigt

Flammenfärbung

Es werden verschiedene Salzatome in die Flamme gehalten. Jedes Salzatom benötigt aber eine andere Energie, um angeregt zu werden. Die Flamme bietet ein kontinuierliches Energiespektrum, aus dem sich das jeweilige Salzatom genau den Energiebetrag holen kann, den es für seine Anregung braucht. Elektronen werden also in höhere Niveaus angeregt, dort bleiben sie aber nur ganz kurz und emittieren beim Zurückspringen Lichtphotonen mit genau der vorher absorbierten Energie, was jeweils einer ganz bestimmten Frequenz (Farbe) entspricht.

Emissionsspektrum

Unter dem Emissionsspektrum versteht man das elektromagnetische Spektrum, das von Körpern, Atomen oder Molekülen nach geeigneter Anregung (Erhitzung, Stoß durch Elektronen usw.) ausgesandt wird. Die Körper, Atome oder Moleküle stellen hierbei die Strahlungssender dar. Heiße Materialien (z.B. eine Glühwendel oder die Sonne) senden in der Regel ein kontinuierliches Spektrum aus, während Atome oder Moleküle eines verdünnten Gases sogenannte Linienspektren emittieren, die charakteristisch für das jeweilige Atom bzw. Molekül sind.

Aufbau

In einer mit Quecksilber oder Neon gefüllten Röhre befindet sich eine Glühkathode und ihr gegenüber eine Anode. Bei der mit Quecksilber gefüllten Röhre befindet sich zwischen der Kathode und Anode ein Gitter. An der Anode liegt eine Gegenspannung mit an. Durch das Erhitzen der Glühkathode (Heizspannung ) erhalten einige Elektronen nun genug Energie, um aus dieser auszutreten. Sie werden durch die am Gitter anliegende Spannung beschleunigt und erhalten die Energie. 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 ein Stromfluss zu beobachten. Dieser wird nun gemessen. Daraus lässt sich ermitteln, wie viele Elektronen genug Energie besaßen, um die Anode zu erreichen.

Beobachtung

Zwischen der Kathode und der Anode kollidieren nun einige Elektronen mit den Quecksilberatomen. Dabei ist folgendes zu beobachten: Besitzen die Elektronen eine zu geringe Energie, so können sie die Quecksilberatome nicht anregen und die Zusammenstöße sind elastisch, es wird also keine Energie ausgetauscht. Der Anoden- strom steigt daraufhin mit der Beschleunigungs- spannung an, da viele Elektronen genug Energie besitzen, um die Gegenspannung zu überwinden. Aber ab einer bestimmten Beschleunigungs- spannung kommt es zu einem plötzlichen Absinken des Anodenstroms. Dieses liegt daran, dass die Elektronen nun so viel Energie besitzen, dass sie die Quecksilberatome anregen können. Es kommt also zu einem unelastischen Stoß, bei dem Energie übertragen wird. Diese kinetische Energie entspricht dabei gerade der Anregungssenergie des Quecksilberatoms von 4,9eV (bzw. 18,5eV bei Neon).

Zur Anregung geben sie ihre Energie ab und 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.

Theorien bestätigt

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