Betreff:

Zentrale Experimente Physik GOSt

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Wenn Sie sich die Funktionsweise einer Elektronenkanone in Erinnerung rufen oder kennenlernen wollen,
schauen Sie hier nach.

Zur Bestimmung der spezifischen Elektronenladung e/m mit einem Fadenstrahlrohr ist der folgende experimentelle Aufbau erforderlich. Zu den wesentlichen Elementen gehören:

  • das eigentliche Fadenstrahlrohr in seiner Halterung,
  • die elektrische Versorgung des gesamten Fadenstrahlrohrs mit Heizspannung für die Elektronenkanone, mit Beschleunigungsspannung für die Beschleunigung der freigesetzten Elektronen und mit der Spannungsversorgung für den Wehneltzylinder, der einer Fokussierung der Elektronen dient,
  • das Helmholtzspulenpaar und seine elektrische Versorgung mit einer Gleichspannung, um über die Stromstärke die gewünschten magnetischen Felder einzustellen,
  • die notwendigen Netzgeräte mit den Anzeigegeräten für die Beschleunigungsspannung der Elektronenkanone und der Stromstärke für die Helmholtzspulen.
 

Der besondere Stellenwert der Untersuchungen von Elektronen mit dem sog. Fadenstrahlrohr besteht darin, dass es mit den heutzutage recht einfach durchzuführenden Experimenten gelingt, zwar nicht die Elementarladung e der Elektronen oder deren Masse m allein zu bestimmen, so aber doch wenigstens den Quotienten e/m als ihre "spezifische Ladung". Zusammen mit dem Ergebnis des Millikan-Versuchs, der die direkte Bestimmung der Elementarladung ermöglicht, lässt sich dann auch die Masse m des Elektrons ermitteln.
Am Ende dieser Seite finden Sie den historischen Ablauf der Erkenntnisgewinnung zu den beiden Daten für das Elektron. Am Ende dieses Kapitels zum Fadenstrahlrohr zeigt eine Übersicht die grundlegenden Experimente zur Erkenntnisgewinnung für die beiden Quantenobjekte Elektron und Photon.

 

Das Fadenstrahlrohr zur e/m-Bestimmung

Das folgende IBE zeigt in der oberen Hälfte das vereinfachte Schaltbild für den gesamten Aufbau in zunächst ausgegrauter Form. Durch Anklicken der der Schemata der beiden Netzgeräte und nachfolgend der weiteren Elemente werden diese hervorgehoben. In der unteren Hälfte erscheinen gleichzeitig die entsprechenden Objekte des realen Aufbaus.

Hinweise:

  • Beim Aufbau muss eine logisch-vernünftige Reihenfolge eingehalten werden, z. B. können keine Kabel in Netzgeräte gesteckt werden, die noch nicht aufgebaut wurden.
  • Gesetzte Objekte können auch durch erneutes Anklicken, sofern sinnvoll, wieder gelöscht werden.
  • Wenn alles aufgebaut ist, können Sie sich durch Klicks auf beide Netzgeräte die Bedienpanels vergrößert anzeigen lassen, sofern die Geräte noch nicht eingeschaltet worden sind.
  • Auch die Drehregler beider Geräte können durch Klick aktiviert und vergrößert dargestellt werden.
  • Wenn alle Kabel verbunden und solange die Netzgeräte nicht eingeschaltet sind, kann die Elektronenkanone durch Anklicken vergrößert dargestellt werden.

Bauen Sie zunächst die Messapparatur vollständig auf und führen danach die folgenden Schritte aus:

  • Schalten Sie das Netzgerät für die elektrische Versorgung des Fadenstrahlrohrs (links) sowie das Netzgerät für das Helmholtzspulenpaar (rechts) ein. Nach Klicks auf die Bedienpanels beider Netzgeräte können Sie mit den Drehreglern die Beschleunigungsspannung auf den Wert $U_A=400V$ und die Stromstärke auf den Wert $I=1A$ setzen (an dieser Stelle sind Beschleunigungsspannung und Stromstärke im Helmholtzspulenpaar noch fest vorgegeben).
  • Mittels des Schalters an der Lampe können Sie das Laborlicht ausschalten, sodass die Elektronenbahnen gut sichtbar werden.
  • Durch einen Klick auf die Anschlüsse der zum Helmholtzspulenpaar führenden Kabel (rechts unten am Netzgerät) können diese umgepolt werden. Durch einen weiteren Klick auf das Fadenstrahlrohr wird das zugehörige Magnetfeld symbolisch dargestellt (bzw. die Darstellung wieder entfernt).
  • Ein Klick auf die Elektronenkanone zeigt diese in vergrößerter Form bzw. entfernt diese wieder, sofern das linke Netzgerät (und damit die Heizwendel) sowie das Laborlicht nicht eingeschaltet sind.
Netzgerät für Fadenstrahlrohr
Hotspots zeigen die Stellen, wo man nach Aufbau des Versuchsaufbaus klicken kann
Fadenstrahlrohr
Helmholtzspulenpaar
Lampe
Netzgerät für Spulenstrom
Layer 1

Layer 1
Helmholtzspule
Heizspannung
Beschleunigungsspannung
Wehneltzylinder
(geheizte) Kathode
Anode

Unten sehen Sie die Schaltskizze aus dem IBE. Ordnen Sie die Bezeichnungen den Bauteilen zu.

Die Bezeichnungen können in die leeren Felder verschoben werden und das Ergebnis kann durch Anklicken der Schaltfläche "Überprüfen" überprüft werden. Bitte beachten, dass die Felder mit den Bezeichnungen nicht über den Rand der Zielfelder hinausragen.

Layer 1
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