Flammenfärbung und Linienspektren: Versuchsaufbau, Beobachtung und Erklärung

Flammenfärbung

Es werden verschiedene Salzatome in die Flamme gehalten. Jedes Salzatom benötigt aber eine andere, ganz bestimmte Energie, um angeregt zu werden. Die Flamme bietet ein kontinuierliches Energiespektrum, aus dem sich das jeweilige Salzatom genau den höheren 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 entspricht.

Linienspektren

In einer Quecksilberdampflampe werden Quecksilberatome durch ganz bestimmte Energien angeregt und beim Zurückspringen in ihre Ausgangsniveaus emittieren sie nur Lichtquanten mit genau diesen Energieträgen, dann emittiert sie natürlich noch UV-Photonen, die wir aber nicht sehen können. Je nach Gasentladungslampe sehen wir ein anderes Linienspektrum.

Versuchsaufbau und Durchführung

In einer wahlweise mit 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 zudem noch ein Gitter, mit einer Beschleunigungsspannung. An der Anode liegt eine Gegenspannung an. Durch das Erhitzen der Glühkathode erhalten einige Elektronen nun genug Energie, um aus dieser auszutreten. Sie werden daraufhin 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 daraufhin ein Stromfluss zu beobachten. Dieser so genannte 'Auffängerstrom' wird nun gemessen. Daraus lässt sich ermitteln, wie viele Elektronen genug Energie besaßen, um die Anode zu erreichen.

Beobachtung

Die Kurve steigt wie erwartet zunächst an, fällt dann bei ca. 18V überraschenderweise ab. Eine weitere Erhöhung der Beschleunigungsspannung bewirkt dann ein erneutes Ansteigen und nach ca. 37V wieder ein Abfallen. Eine Erhöhung von Ub führt wieder zu einem Anstieg der Kurve und bei ca. 54V fällt sie wieder ab. Ca. alle 18V fällt die Kurve also ab und steigt dann erneut wieder an.

Erklärung

Zu Beginn nimmt die kinetische Energie der Elektronen mit steigender Beschleunigungsspannung zu und Ia steigt an. Auf dem Weg zum Auffänger gelangen einige Elektronen ungehindert zum Auffänger und andere stoßen elastisch mit den Neonatomen. Wenn die Elektronen eine kinetische Energie von 18,5V für Neon haben, so erfolgen die Stöße nicht mehr elastisch, sondern inelastisch. D.h. bei einem Stoß eines Elektrons mit einem Neonatom gibt das Elektron seine Energie vollständig an das Neonatom ab und hat nicht mehr genug Energie übrig, um die Gegenspannung bis zum Auffänger zu überwinden. Ia sinkt ab. Dreht man die Beschleunigungsspannung weiter hoch, so nimmt die kinetische Energie der Elektronen wieder zu. Sie können einmal inelastisch stoßen und haben danach genug Energie, um die Gegenspannung zu überwinden. Ia steigt wieder an. Wenn die Elektronen eine Energie von 2 ∙ 18,5eV = 37eV haben, sind sie in der Lage, zweimal inelastisch mit Neon-Atomen zu stoßen. Danach ist dann allerdings wieder nicht genug Energie übrig, um die Gegenspannung zu überwinden, Ia fällt wieder ab und das Spiel wiederholt sich.

Theorien

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