Franck-Hertz-Versuch mit Hg - Messwertaufnahme mit Multimeter

Im folgenden IBE geht es zunächst einmal darum, sich mit dem Aufbau der Röhre vertraut zu machen und erste Messwerte qualitativ zu deuten. Zunächst wird mit einer Franck-Hertz Röhre mit Quecksilber gearbeitet, der prinzipielle Aufbau der Röhren mit anderen Gasen unterscheidet sich aber nicht entscheidend von dieser Röhre.
Bei diesem IBE erfolgt die Ausgabe der Messwerte zunächst über analoge Messgeräte, später werden diese durch ein digitales Messwerterfassungssystem ersetzt. Zu beachten ist bei den Messwerten, dass das Steuergerät

die Werte der Beschleunigungsspannnung bei der Ausgabe auf 1/10 reduziert, d. h. man muss den angezeigten Wert mit 10 multiplizieren, um die tatsächliche Beschleunigungsspannung zu erhalten.
nicht direkt den Anodenstrom ausgibt. Der Anodenstrom wird mit Hilfe eines Messverstärkers über den Spannungsabfall an einem Widerstand gemessen. Deswegen wird beim zweiten Messgerät auch eine Spannung und nicht die eigentliche Stromstärke angezeigt. Der absolute Wert der Stromstärke ist für diesen Versuch nicht von Bedeutung.
(siehe hierzu auch die vergrößerten Aufnahmen der Anschlüsse, die sichtbar werden, wenn der orange Plus-Button angeklickt wird)

Vergrößern Sie zur Bedienung des IBE zunächst das Bedienpanel des Netzgeräts bzw. die Anzeigen der Mulitmeter durch Anklicken. Sie können dann die Beschleunigungsspannung U₂ manuell regeln, indem Sie den Drehschalter in der Mitte auf "MAN" stellen und mit dem großen Drehschalter rechts die Spannung U₂ erhöhen. Alternativ können Sie die Beschleunigungsspannung U₂auch automatisch erhöhen, stellen Sie dazu den Drehschalter in der Mitte auf "AUTO". Durch "RESET" wird die Beschleunigungsspannung wieder auf Null zurückgestellt.

Tipp

Schauen Sie sich die Seite "Allgemeines zum Franck-Hertz-Versuch" an.
Dort werden die Funktionen vieler Bauteile beschrieben.

Auf dem Betriebsgerät ist eine Schaltskizze der Franck-Hertz Röhre zu finden.
Beschreiben Sie damit den Aufbau der Franck-Hertz Röhre und erklären Sie die Funktion der einzelnen Bauteile. Verwenden Sie mindestens die folgenden Begriffe: Absaugspannung, Anodenstrom, Beschleunigungsspannung, Gegenspannung, Gitter 1, Gitter 2, Heizdraht.
(Hinweis: Der rechte Bereich des Schaltplans stellt einen Messverstärker dar, der die gemessene Stromstärke verstärkt und in eine Spannung umwandelt. Deshalb muss auch beim rechten Messgerät als Messgröße "Spannung" eingestellt werden, obwohl dieses Messgerät eigentlich die Stromstärke darstellt.)

Tipp

Auf der Seite "Allgemeines zum Franck-Hertz-Versuch" finden Sie die Lösung.

Geben Sie an, was Franck und Hertz mit ihrem Experiment herausfinden wollten.

Führen Sie nun das Experiment durch und erhöhen Sie die Spannung U₂ bis ca. 30 Volt.
(Hinweis: Da das Betriebsgerät nur U₂ / 10 ausgibt, ist eine Beschleunigungsspannung von 5 V bereits erreicht, wenn das Messgerät 0,5 V anzeigt).

Skizzieren Sie den Verlauf der Messwerte im Diagramm
Vergleichen Sie den Verlauf der Messkurve mit dem Verlauf, der sich gemäß der Annahme von Franck und Hertz ergeben müsste.
Erklären Sie, weshalb Franck und Hertz zunächst nicht aufgefallen ist, dass ihre Annahme falsch ist.
Geben Sie an, was Franck und Hertz statt der Ionisierungsenergie bestimmt haben.

Stift

Radierer

Der Franck-Hertz Versuch von James Franck und Gustav Hertz zählt zu den wichtigsten Experimenten auf dem Weg zur modernen Physik und belegt eindrucksvoll die grundlegenden Annahmen heutiger Atommodelle.

Franck und Hertz haben bei ihrem Originalexperiment eine Röhre mit Quecksilberdampf verwendet. Heute sind neben den Röhren mit Quecksilber in der Schule vor allen Röhren mit Neongas beliebt, da man dort - zusätzlich zum eigentlichen Effekt - eine damit verbundene Leuchterscheinung beobachten kann.

Allgemeine Informationen zum Franck-Hertz-Experiment finden Sie auf der voranstehenden Seite. Diese sollten Sie vor der Bearbeitung dieser Seite studieren.

Franck-Hertz-Rohr mit Hg im Heizofen

Messgeräte für die Beschleunigungsspannung, dargestellt wird U_B/10

Messgeräte für den Anodenstrom (gemessen wird eine Spannung, die proportional zum Anodenstrom ist)

Steuergerät für die Beschleunigungsspannung

Nun sollen Sie überlegen, wie sich die Anodenstromstärke I_A in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung U₂ verändert und welchen Einfluss die Quecksilberatome haben könnten.
Begründen Sie, wie die Kurven aussehen könnten, wenn

sich in der Röhre ein Vakuum befindet,
sich Quecksilberatome in der Röhre befinden, die Elektronen aber nur elastische Stöße mit diesen ausführen,
die Annahme von Franck und Hertz korrekt wäre, d. h. die Elektronen die Quecksilberatome durch unelastische Stöße ionisieren würden.
(Ionisierungsenergie von Quecksilber: 10,4 eV)

Skizzieren Sie die drei Kurven im Diagramm.

Gehen Sie davon aus, dass die Gegenspannung U₃ = 5 V beträgt und die Beschleunigungsspannung U₃ zwischen 0 V und 30 V variiert wird.

Stift

Radierer

S