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Franck-Hertz-Versuch nach Franck, Knipping und Einsporn
Tipp
Die Übergänge mit 4,68 eV tritt mit einer viel geringeren Wahrscheinlichkeit auf als der Übergang, der beim originalen Franck-Hertz-Versuch gemessen wurde.
Begründen Sie, warum dieser Übergang beim Originalexperiment nicht beobachtet werden konnte, bei der modifizierten Variante aber schon.
- Überlegen Sie, wie lang die Strecke beim ursprünglichen Franck-Hertz-Versuch ist, auf der sich die Elektronen mit einer kinetischen Energie von weniger als 4,9 eV, aber mehr als 4,68 eV, die zur ersten Anregung notwendig sind, bewegt haben und wie lang die im Vergleich dazu bei der Knipping Variante ist.
Tipp
Die Übergang mit 6,73 eV tritt auch mit einer sehr großen Wahrscheinlichkeit auf, genau wie der mit 4,9 eV.
Begründen Sie, warum dieser Übergang dennoch nicht beim Originalexperiment beobachtet werden konnte, bei der modifizierten Variante aber schon.
- Überlegen Sie, was beim ursprünglichen Franck-Hertz-Versuch in der Regel passiert, wenn die Elektronen eine Energie von 4,9 eV erreicht haben und warum sie bei der Knipping relativ leicht weiter beschleunigt werden können.
Im Infotext oben ist zu lesen, dass mit der Variante nach Franck, Knipping und Einsporn noch weitere Energieniveaus des Quecksilbers nachgewiesen werden können.
Im Diagramm rechts wurde die Kurve, die zum originalen Franck-Hertz-Versuch gehört (blau), zusätzlich zur Messung von Franck, Knipping und Einsporn eingetragen.
Begründen Sie, woran man an der Kurve erkennen kann, dass an den Stellen 4,68 V, 5,29 V, 5,78 V und 6,73 V weitere unelastische Stöße mit Energieabgaben der Elektronen an die Quecksilberatome stattgefunden haben müssen.
Es gibt eine Modifikation der Franck-Hertz-Röhre, die es gestattet, über die 4,9 eV-Anregungsstufe beim Quecksilber auch noch weitere Energiestufen in der Hülle des Quecksilberatoms anzuregen:
Quelle: books.google.de
Die eigentliche Messung wird wie bei der zuvor behandelten Frank-Hertz-Röhre vorgenommen. Franck, Knipping und Einsporn erhielten in ihren Messungen die rechts oben abgebildete Kurve (Rechtsachse: Beschleunigungsspannung in Volt (die hier allerdings noch unkorrigiert ist, die passenden Beschleunigungsspannungen sind an der Kurve abzulesen), Hochachse: Galvanometerausschlag als Maß für die Anodenstromstärke).
Es ist deutlich zu erkennen, dass die Kurven keinen so glatten Verlauf wie die Kurve vom originalen Franck-Hertz-Versuch hat.
Bei dieser von Franck, Knipping und Einsporn veröffentlichten Modifikation befindet sich fast unmittelbar hinter der geheizten Kathode ein Gitter 1, das bereits das Ende der Beschleunigungsstrecke darstellt; die Elektronen werden also innerhalb einer sehr kurzen Strecke auf ihre Endgeschwindigkeit gebracht und nach dem Durchgang durch Gitter 1 wegen des dort bis Gitter 2 feldfreien Raums nicht weiter beschleunigt, so dass sie sich dann in dem Bereich zwischen Gitter 1 und Gitter 2 mit der konstanten Geschwindigkeit weiter bewegen, bis sie auf ein Quecksilberatom treffen, wo sie möglicherweise durch einen inelastischen Stoß einen Teil ihrer kinetischen Energie abgeben. Da sich auf dieser kurzen Strecke zwischen Kathode und Gitter 1 nur wenige Quecksilberatome befinden, finden in diesem Bereich auch keine bzw. nur höchstens sehr wenige Stöße zwischen beschleunigten Elektronen und Quecksilberatomen statt, sodass die weit überwiegende Anzahl der Elektronen erst nach Passieren des Gitters 1 auf Quecksilberatome stößt.
Quelle: Finkelnburg W. (1962) Atomspektren und Atombau.
In: Einführung in die Atomphysik.
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1962
Tipp
- Da sich (fast) alle Hg-Atome in der Franck-Hertz-Röhre im Grundzustand befinden, müssen die Übergänge auch dort, d. h. bei -10,4 eV starten.
Drei der beobachteten Übergänge sollen in das nachfolgende vereinfachte Termschema von Quecksilber eingetragen werden.
Neben dem aus dem originalen Franck-Hertz-Versuch bekannten Übergang mit 4,9 eV kann man im Termschema zwei weitere Übergänge zuordnen, die bei der Versuchsvariante von Franck, Knipping und Einsporn gefunden wurden. Zeichnen Sie alle drei Übergänge in das Termschema unten ein und ordnen Sie ihnen die entprechenden Energien zu.
Zu den doch recht komplexen Übergängen insbesondere beim Quecksilber können Sie sich an dieser Stelle etwas näher informieren (siehe dort Abschnitt 7, Seite 9f.).