Exkurs: Na - Leuchterscheinung

Man kann den Franck-Hertz-Versuch mit unterschiedlichen Gasen durchführen. Zu Lehrzwecken finden sich heutzutage zumeist Röhren, die Quecksilberdampf oder Neon enthalten. Es können aber auch Dämpfe weiterer Materialien untersucht werden, zum Beispiel auch Natriumdampf.
Beim Natrium-Atom sind die beiden ersten Schalen der Atomhülle vollständig mit Elektronen besetzt, das 11. Elektron befindet sich auf der dritten Schale (n=3). Durch Energiezuführ kann das Na-Atom zum Leuchten angeregt werden: Es sendet dann im sichtbaren Spektrum gelbes Licht aus.

Bei einer detaillierteren Auflösung des Spektrums stellt man fest, dass es sich in Wirklichkeit um zwei sehr eng benachbarte Linien handelt, deren Wellenlängen sich jedoch nur um ca. 0,6 nm voneinander unterscheiden.

Das im sichtbaren Bereich aus nur einer Linie bestehende Na-Spektrum ist in folgender Abbildung zu sehen:

(Quelle: Wikipedia)
Bestimmen Sie Wellenlänge und Frequenz des sichtbaren Natriumlichts.

Die folgende Grafik zeigt die mit einer Franck-Hertz-Röhre mit Natriumdampf aufgenommenen Messwerte (zur Quelle hier klicken, S. 29ff.) für die Anodenstromstärke I_A in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung U:

Begründen Sie, warum nach dem Erreichen beider (relativer) Maxima die Kurve nicht steil abfällt und dass das (relative) Minimum nicht (vollständig) auf Null zurückgeht.

Denken Sie an die Energie der Photonen, die die gelbe Natrium-Spektrallinie erzeugen.

Tipp

Stellen Sie dar, inwieweit die Erkenntnisse aus der oben abgebildeten Grafik mit der Existenz der gelben Natrium-Spektrallinie im Einklang stehen.

Überlegen Sie, was geschieht, solange die Beschleunigungsspannung so klein bleibt, dass die zu beschleunigenden Elektronen die Ionissationsenergie noch nicht erreichen, und was geschieht, wenn bei höherer Beschleunigungsspannung Natriumatome ionisiert werden.

Tipp

Die Ionisationsenergie von Natrium beträgt 5,14 eV. Entscheiden Sie, inwiefern beim Einstellen einer Gegenspannung > 5,14 V (beispielsweise 7 V) diese Ionisationsenergie mit der natriumdampfgefüllten Franck-Hertz-Röhre ermittelt werden kann, wenn diese mit einer maximalen Beschleunigungsspannung, wie aus der Grafik oben erkennbar, von etwa 6 bis 7 Volt betrieben wird.