Franck-Hertz-Versuch, Röntgenstrahlung und Massendefekt

Der Franck-Hertz-Versuch

Kernstück des Experiments ist eine evakuierte Röhre. Die Röhre ist mit einer geringen Menge von Quecksilbergas gefüllt. Es werden Elektronen von einer Glühkathode emittiert und durch eine regulierbare Spannung zwischen Kathode und Gitter beschleunigt. Durch Regulieren der Beschleunigungsspannung lässt sich die Geschwindigkeit und damit die kinetische Energie der Elektronen verändern. Nach Passieren des Gitters durchlaufen die Elektronen ein Gegenfeld, aber nur ein paar Elektronen erreichen die Anode.

Man erhitzt die Röhre, damit das Quecksilber in den gasförmigen Zustand übergeht. Die Beschleunigungsspannung erhöht sich und man misst die Stromstärke. Erhöht man die Beschleunigungsspannung weiter, so steigt die Stromstärke wieder an und sinkt nach Erreichen eines erneuten Maximums wieder ab.

Vorgänge auf atomarer Ebene

Auf ihrem Weg zur Anode stoßen die Elektronen mit Quecksilberatomen zusammen. Die Elektronen geben dabei keine kinetische Energie an die Atome ab und sind in der Lage, das Gegenfeld vor der Anode zu überwinden. Erreicht die kinetische Energie der Elektronen einen bestimmten Wert, dann kommt es zu unelastischen Stößen zwischen Elektronen und Atomen. Die Quecksilberatome nehmen dabei Energie von den Elektronen auf. Diese gelangen aufgrund ihrer geringeren Energie nicht mehr bis zur Anode. Die Stromstärke sinkt. Wird die Beschleunigungsspannung weiter erhöht, vergrößert sich die Energie der Elektronen wieder, der Strom steigt erneut an. Bei einer stetigen Steigerung der Spannung erreichen die Elektronen auch wieder diejenige Energie, bei der unelastische Stöße erfolgen. Auf diese Weise können die Elektronen auf ihrem Weg zur Anode gleich zwei- oder mehrmals ihre Energie an Quecksilberatome abgeben.

Die Entstehung von Röntgenstrahlung

Wir wissen, dass elektromagnetische Strahlung entsteht, wenn elektrische Ladungen beschleunigt oder abgebremst werden. Je größer der Betrag der Beschleunigung ist, umso größer ist die Frequenz der entstehenden Strahlung. Röntgenstrahlung entsteht, wenn schnelle Elektronen stark abgebremst werden.

Die von einer Glühkathode emittierten Elektronen werden im elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode beschleunigt und beim Auftreffen auf die Anode stark abgebremst. Es entsteht Röntgenstrahlung.

Physikalische Grundlagen der Röntgenröhre

An einer Kathode wird eine Heizspannung U angelegt, wodurch Elektronen aus der Glühwendel herausgelöst werden und durch die Beschleunigungsspannung U in Richtung der Metallanode beschleunigt werden. Beim Auftreffen auf die Anode entsteht ein Photon, auf welches ein Teil der kinetischen Energie des Elektrons übertragen wird. Die restliche Energie erwärmt die Anode. Die Photonenenergie hängt also davon ab, wie viel Energie auf das Photon übertragen wird, und ist bei jedem Auftreffen unterschiedlich. Die maximale Photonenenergie ergibt sich, wenn die gesamte kinetische Energie auf ein Photon übertragen wird: E(max) = e * U. Die maximale Energie ist proportional zu der Beschleunigungsspannung U, da diese für die Geschwindigkeit und damit für die kinetische Energie der Elektronen verantwortlich ist.

Das Röntgenspektrum

Das Röntgenspektrum setzt sich aus zwei Teilspektren zusammen, die durch unterschiedliche Vorgänge entstehen. Die Röntgenstrahlung, die durch die Abbremsung der Elektronen entsteht – das sogenannte Bremsspektrum oder kontinuierliche Spektrum – bildet die Basis des Röntgenspektrums. Trifft ein schnelles Elektron der Röntgenröhre auf das Anodenmaterial, dann wird es abgebremst, kann aber, sofern es energiereich genug ist, auch tief in die Hülle eines Atoms eindringen und dabei ein Elektron aus einer inneren, voll besetzten Schale herausstoßen. Der freie Platz wird durch ein äußeres Elektron sofort wieder besetzt. Bei diesem Elektronenübergang wird ein Röntgenphoton abgegeben.

Massendefekt und Bindungsenergie

Die Masse eines Atomkerns ist stets kleiner als die Summe der Massen seiner Bestandteile. Die Energie, die sich aus diesem Massendefekt ergibt, ist die Bindungsenergie des Atomkerns. Die mittlere Bindungsenergie je Nukleon ergibt sich aus der Bindungsenergie des Atomkerns und der Massenzahl A. Bei leichten Elementen ist die mittlere Bindungsenergie je Nukleon klein, steigt dann aber schnell an. Sie erreicht bei Eisen, Cobalt und Nickel ein Maximum und wird dann in Richtung schwerer Elemente wieder kleiner.

Kernfusion und Kernspaltung

• Kernfusion: Durch Zusammenfügen von leichten Atomkernen oder Teilchen wird Energie freigesetzt. Dieser Prozess heißt Kernfusion.
• Kernspaltung: Durch Aufspalten schwerer Atomkerne oder durch Abtrennen von Kernteilchen wird Energie freigesetzt. Das passiert bei natürlichen radioaktiven Zerfällen und bei der Kernspaltung.

Arten der radioaktiven Strahlung

• Alpha-Strahlung: Besteht aus doppelt positiv geladenen Heliumkernen.
• Beta-Strahlung: Besteht aus negativ geladenen Elektronen (β⁻-Strahlung) oder positiv geladenen Positronen (β⁺-Strahlung).