Vermischte Aufgaben zum Franck-Hertz-Versuch

Tipps

Begründen Sie, warum ein Elektron bei einem - sog. "elastischen" - Stoß auf Quecksilberatome, bei dem keine Anregung von Elektronen in der Atomhülle stattfindet bzw. stattfinden kann, keine Energie an dieses Atom abgibt.

Tipp 1

Schauen Sie sich die zu zeigende Formel an. Die dort auftretenden Größen geben Ihnen einen Hinweis auf den Ansatz.

Tipp 2

Berücksichtigen Sie die Massen der hier "stoßenden" Objekte, also die Masse eines Elektrons in Bezug auf die Masse eines Quecksilberatoms.

Erinnern Sie sich an die Experimente, bei denen ein Gegenstand bei einem elastischen oder auch mehr oder weniger unelastischen Stoß auf einen anderen Gegenstand trifft.

Tipp

Die Heizwendel in den Franck-Hertz-Röhren werden indirekt geheizt, d. h., dass es keine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Kathode der Beschleunigungsspannung und der Heizwendel gibt.
Begründen Sie dies.

Tipp 1

Schauen Sie sich die zu zeigende Formel an. Die dort auftretenden Größen geben Ihnen einen Hinweis auf den Ansatz.

Übliche Heizspannungen für die Glühemission liegen im mittleren einstelligen Voltbereich.

Tipps

Für eine Franck-Hertz-Röhre mit Quecksilber soll mit Hilfe einer Photozelle nachgewiesen werden, dass von den Quecksilberatomen nach deren Anregung Photonen ausgesandt werden. Es stehen dazu eine Photozelle mit einer Caesium- und eine Photozelle mit einer Platinelektrode zur Verfügung. Entscheiden Sie begründet, ob beide, lediglich eine oder sogar keine der beiden Photozellen für den Nachweis geeignet sind.
Hinweis: Zur Beantwortung dieser Frage sind Kenntnisse über den Photoeffekt notwendig.

Tipp 1

Schauen Sie sich die zu zeigende Formel an. Die dort auftretenden Größen geben Ihnen einen Hinweis auf den Ansatz.

Tipp 2

In den üblichen Franck-Hertz-Röhren mit Quecksilber tritt eine Anregung der Quecksilberatome bei einer Beschleunigungsspannung der Elektronen von 4,9V auf.

Denken Sie daran, dass jede Photozelle eine gewisse, für sie charakteristische Austrittsarbeit hat.

In einer Originalarbeit über ihre Entdeckung schrieben J. Franck und G. Hertz Folgendes:
„Da sich dieselbe Erscheinung [gemeint ist die Ionisation] jedesmal wiederholt, wenn die beschleunigende Spannung gleich einem ganzen Vielfachen der Ionisierungsspannung wird, so haben wir eine Kurve zu erwarten, die Maxima von wachsender Größe besitzt, deren Abstand stets gleich der Ionisierungsspannung ist.“
... und weiter:
„Die in den Kurven dargestellten Ergebnisse unserer Messungen zeigen, daß unsere Erwartungen sich durchaus bestätigt haben. Die Maxima sind außerordentlich scharf ausgeprägt und geben daher die Möglichkeit einer sehr genauen Messung der Ionisierungsspannung. Die Werte für den Abstand zweier benachbarter Maxima liegen sämtlich zwischen 4,8 und 5,0 Volt, so daß wir 4,9 Volt als den richtigsten Werte für die Ionisierungsspannung des Quecksilberdampfes ansehen können.“
J. Franck und G. Hertz, Über Zusammenstöße zwischen Elektronen und den Molekülen des Quecksilberdampfes und die Ionisierungsspannung desselben, Verhandl. d. Dt. Phys. Ges. 16, 457 (1914)
Quelle:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/phbl.19670230702

Lesen Sie den voranstehenden Text genau und stellen Sie den Irrtum dar, dem J. Franck und G. Hertz in ihrer Veröffentlichung unterlagen und der von N. Bohr im Folgejahr der Veröffentlichung beschrieben wurde.

Erläutern Sie, warum bei hinreichend vielen freien Quecksilber-Atomen in der Atmosphäre im Franck-Hertz-Rohr (in der Regel) keine höheren Energieniveaus als diejenigen mit 4,9 eV angeregt werden können.

Licht einer Wellenlänge von 253,7 nm liegt im UV-Bereich. Beim Betrieb einer Quecksilberdampflampe wird jedoch auch sichtbares Licht (Wellenlängenbereich ca. 400 nm bis 800 nm) emittiert, also bei deutlich niedrigeren Energien als 4,9 eV.
Begründen Sie, warum sich diese Energien nicht im Verlauf des Franck-Hertz-Diagramms zeigen.

Tipp 1

Schauen Sie sich die zu zeigende Formel an. Die dort auftretenden Größen geben Ihnen einen Hinweis auf den Ansatz.

Denken Sie an die üblichen Abstände der höheren Anregungsniveaus in den Atomen.
Die Quecksilberatome befinden sich vor der Anregung im Grundzustand.

Tipp