Der Franck-Hertz-Versuch - Aufbau, Ergebnis, Erklärung (Physik)

Think Logic

30 Nov 202206:42

Summary

TLDRIn diesem Video wird das Franck-Hertz-Experiment erklärt, bei dem der Aufbau und der Ablauf des Versuchs erläutert werden. Elektronen werden von einer Glühkathode emittiert, durch eine Spannung beschleunigt und kollidieren mit Wasserstoffatomen. Bei einer Spannung von 10,2 Volt übertragen die Elektronen ihre kinetische Energie, wodurch die Stromstärke abnimmt. Dies zeigt, dass Elektronen nur bestimmte diskrete Energieniveaus in Atomen einnehmen können. Historisch wurde das Experiment mit Quecksilberdampf durchgeführt, das gleiche Prinzip gilt jedoch auch für andere Gase wie Wasserstoff. Es wird auch beschrieben, wie das Experiment Lichtemission bei Neon und anderen Gasen hervorruft.

Takeaways

🔬 Das Franck-Hertz-Experiment untersucht den Energieaustausch zwischen Elektronen und Atomen, speziell Wasserstoffatomen.
💡 Eine Glühkathode emittiert Elektronen, die durch eine Spannung beschleunigt und dann durch ein Gitter geleitet werden.
⚡ Wenn Elektronen genügend kinetische Energie haben, können sie die Anode erreichen, wodurch ein Stromfluss entsteht.
🧪 Bei 10,2 Volt nehmen die Elektronen an kinetischer Energie ab, da sie diese an die Wasserstoffatome abgeben, um sie in den angeregten Zustand zu versetzen.
🔋 Das Energiemodell des Wasserstoffatoms zeigt, dass Elektronen nur bestimmte Energieniveaus besetzen können, z. B. 13,6 eV im Grundzustand und 3,4 eV im ersten angeregten Zustand.
📉 Der Strom sinkt nach 10,2 Volt, da die Elektronen ihre Energie an die Atome abgegeben haben und die Bremsspannung nicht mehr überwinden können.
🔄 Der Vorgang wiederholt sich bei Vielfachen von 10,2 Volt, wenn Elektronen zwei- oder dreimal mit den Atomen kollidieren.
📜 Das Experiment war ein Beweis dafür, dass Elektronen in Atomen nur diskrete Energieniveaus annehmen können.
🌡 Ursprünglich wurde das Experiment mit Quecksilberdampf durchgeführt, wobei bei 4,9 Volt der erste Stromabfall beobachtet wurde.
🌟 Bei anderen Gasen wie Neon kann das Emittieren von Licht bei bestimmten Spannungen beobachtet werden, da Photonen abgestrahlt werden, wenn Elektronen in den Grundzustand zurückfallen.

Q & A

Was ist das Frank-Herz-Experiment?
-Das Frank-Herz-Experiment ist ein physikalisches Experiment, das zeigt, dass Atome diskrete Energieniveaus haben. Es demonstriert, dass Elektronen in Atomen nur bestimmte Energien annehmen können.
Welches Gas wird im Frank-Herz-Experiment verwendet?
-Im beschriebenen Experiment wird Wasserstoffgas verwendet, obwohl historisch oft Quecksilberdampf eingesetzt wurde, da dies einfacher zu realisieren war.
Was geschieht, wenn Elektronen nicht genug Energie haben?
-Wenn Elektronen nicht genug Energie haben, können sie nicht den ersten Stoß mit den Wasserstoffatomen überleben und verlieren keine kinetische Energie.
Was passiert bei einer Spannung von 10,2 Volt?
-Bei einer Spannung von 10,2 Volt haben die Elektronen genügend Energie, um ein Wasserstoffatom in den angeregten Zustand zu bringen, was bedeutet, dass sie die gesamte kinetische Energie an das Atom übertragen und dann nicht mehr in der Lage sind, die Bremsspannung zu überwinden.
Was ist die Bedeutung von Elektronenvolt als Einheit?
-Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Elektron erhält, wenn es durch eine Potentialdifferenz von einem Volt beschleunigt wird. Diese Einheit wurde im Experiment durch die Beschleunigung der Elektronen mit 10,2 Volt definiert.
Wie wird die Energie des Wasserstoffatoms im Experiment beschrieben?
-Das Elektron im Wasserstoffatom befindet sich im Grundzustand auf der innersten Bahn mit einer Energie von -13,6 Elektronenvolt. Die Energie der zweiten Bahn beträgt -3,4 Elektronenvolt.
Was passiert, wenn Elektronen eine Spannung von 20,4 Volt erhalten?
-Bei einer Spannung von 20,4 Volt haben die Elektronen doppelt so viel Energie wie bei 10,2 Volt, was bedeutet, dass sie in der Lage sind, zweimal mit Wasserstoffatomen zu stoßen und ihre gesamte Energie abzugeben, bevor sie die Bremsspannung überwinden können.
Warum wird im Experiment nicht Wasserstoffgas, sondern Quecksilberdampf verwendet?
-Obwohl das Prinzip des Experiments beim Wasserstoffgas das gleiche ist, wurde historisch oft Quecksilberdampf verwendet, da es einfacher zu realisieren war. Bei Quecksilber ist eine Energie von 4,9 Elektronenvolt nötig, um das Atom in den angeregten Zustand zu bringen.
Was geschieht, wenn ein Atom im angeregten Zustand ist?
-Ein im angeregten Zustand befindliches Atom ist instabil. Das Elektron fällt ziemlich schnell wieder in den Grundzustand zurück und strahlt dabei Energie in Form eines Photons ab.
Warum wird bei Wasserstoff nicht das gleiche Phänomen beobachtet wie bei Quecksilber oder Neon?
-Beim Wasserstoff wird das Phänomen nicht beobachtet, weil das emittierte Licht im Ultraviolettbereich liegt, der für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Bei Quecksilber oder Neon Gas wird das Licht im sichtbaren Bereich emittiert, was zu einem sichtbaren Leuchten führt, wenn die Elektronen mit den Atomen stoßen.

Outlines

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🔬 Einführung in das Franck-Hertz-Experiment

In diesem Abschnitt wird das Franck-Hertz-Experiment vorgestellt. Der Versuchsaufbau besteht aus einem Glasrohr, das mit Wasserstoffgas gefüllt ist. Eine Glühkathode emittiert Elektronen, die durch eine Spannung in Richtung Anode beschleunigt werden. Die Elektronen können durch ein Gitter gelangen und werden durch eine Brems-Spannung abgebremst. Der Stromfluss wird durch die Spannung reguliert, und es wird beobachtet, wie die Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung variiert. Die Elektronen können bis zur Anode gelangen, wenn sie genügend kinetische Energie haben. Ein Diagramm zeigt den Stromverlauf, wobei ein starker Rückgang bei 10,2 Volt zu erkennen ist. Dies erklärt sich dadurch, dass die Elektronen bei dieser Spannung genug Energie haben, um mit Wasserstoffatomen zu kollidieren und Energie zu übertragen, wodurch sie ihre kinetische Energie verlieren und den Stromfluss verringern.

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⚡ Diskrete Energieniveaus und Elektronenstöße

Dieser Abschnitt beschreibt den Zusammenhang zwischen der kinetischen Energie der Elektronen und den diskreten Energieniveaus der Wasserstoffatome. Bei 10,2 Elektronenvolt können Elektronen genug Energie an Wasserstoffatome abgeben, um deren Elektronen in höhere Bahnen zu befördern. Nach der Energieübertragung haben die Elektronen keine kinetische Energie mehr, um die Brems-Spannung zu überwinden. Der Strom sinkt bei 10,2 Volt, steigt aber bei höheren Spannungen wieder an, da Elektronen erneut Energie gewinnen und wieder auf Wasserstoffatome stoßen können. Dieser Effekt tritt auch bei Vielfachen von 10,2 Volt (20,4 und 30,6 Volt) auf, was darauf hindeutet, dass es mehrere Stöße geben kann.

Mindmap

Keywords

💡Frank-Hertz-Experiment

Das Frank-Hertz-Experiment ist ein klassischer Versuch in der Quantenphysik, der den Nachweis von diskreten Energieniveaus in Atomen erbringt. Es zeigt, dass Elektronen nur bestimmte Energieübertragungen durchführen können, was im Video anhand von Wasserstoffatomen erklärt wird.

💡Glühkathode

Eine Glühkathode ist eine elektrisch beheizte Elektrode, die Elektronen emittiert, sobald sie erhitzt wird. Im Experiment beschleunigen die freigesetzten Elektronen durch die anliegende Spannung, was der Ausgangspunkt des beschriebenen Versuchsaufbaus ist.

💡Elektronenvolt

Ein Elektronenvolt (eV) ist eine Energieeinheit, die verwendet wird, um die kinetische Energie von Elektronen zu beschreiben. Im Frank-Hertz-Experiment haben Elektronen bei einer Beschleunigung von 10,2 Volt genau 10,2 Elektronenvolt kinetische Energie, was wichtig für die Interaktion mit Wasserstoffatomen ist.

💡Anregungszustand

Ein Anregungszustand ist ein Zustand eines Atoms, bei dem ein Elektron von seinem Grundzustand auf eine höhere Energiebahn angehoben wird. Im Experiment werden Elektronen durch den Energieaustausch in den angeregten Zustand versetzt, wenn sie mit den Wasserstoffatomen kollidieren.

💡Brems-Spannung

Die Brems-Spannung ist eine elektrische Spannung, die dazu dient, die Elektronen im Frank-Hertz-Experiment abzubremsen, nachdem sie durch das Gitter beschleunigt wurden. Sie ist notwendig, um die kinetische Energie der Elektronen zu steuern und den Stromfluss im Experiment zu beeinflussen.

💡Grundzustand

Der Grundzustand ist der niedrigste Energieniveau eines Elektrons in einem Atom. Im Video wird erklärt, dass Elektronen im Wasserstoffatom sich normalerweise im Grundzustand befinden und durch das Frank-Hertz-Experiment auf einen höheren Zustand angehoben werden können.

💡Diskrete Energieniveaus

Diskrete Energieniveaus sind festgelegte Energiezustände, die ein Elektron in einem Atom annehmen kann. Das Frank-Hertz-Experiment beweist, dass Elektronen nur spezifische Energiegewinne oder -verluste erfahren können, was die Quantenmechanik untermauert.

💡Stromstärke

Die Stromstärke beschreibt den Fluss von Elektronen durch einen Leiter. Im Video wird sie als Indikator für die Energieübertragungen im Experiment verwendet, wobei sie bei bestimmten Spannungswerten abfällt, wenn die Elektronen ihre kinetische Energie an die Atome abgeben.

💡Photon

Ein Photon ist ein Lichtteilchen, das freigesetzt wird, wenn ein angeregtes Elektron wieder in seinen Grundzustand fällt. Im Experiment wird erwähnt, dass in bestimmten Gasen, wie Neon, sichtbares Licht freigesetzt wird, wenn Elektronen mit Atomen kollidieren.

💡Energieniveau

Energieniveaus sind die festgelegten Energiezustände, die ein Elektron in einem Atom annehmen kann. Im Video wird die Energie des Wasserstoffatoms detailliert beschrieben, wobei Elektronen nur auf bestimmten Bahnen mit festen Energieniveaus existieren können.

Highlights

Einführung in das Frank-Hertz-Experiment und den Versuchsaufbau mit einem Glasbehälter, der Wasserstoffatome enthält.

Erklärung der Glühkathode, durch die ein Strom fließt und Elektronen emittiert werden.

Elektronen werden durch eine Spannung beschleunigt und können bei genügend kinetischer Energie die Anode erreichen.

Die Brems-Spannung sorgt dafür, dass die Elektronen langsamer werden, wenn sie das Gitter passieren.

Wichtiger Punkt: Ab einer Spannung von 10,2 Volt nimmt der Strom plötzlich ab, was auf einen Zusammenstoß der Elektronen mit Wasserstoffatomen hinweist.

Die kinetische Energie der Elektronen beträgt bei einer Spannung von 10,2 Volt genau 10,2 Elektronenvolt, was der Energiedifferenz zwischen zwei Niveaus im Wasserstoffatom entspricht.

Ein Elektron kann seine gesamte kinetische Energie auf ein Wasserstoffatom übertragen, um es in einen angeregten Zustand zu versetzen.

Dieser Abfall der Stromstärke bei 10,2 Volt zeigt, dass Elektronen ihre Energie verlieren und keine kinetische Energie mehr haben, um die Brems-Spannung zu überwinden.

Ein weiteres bemerkenswertes Phänomen tritt bei einer Spannung von 20,4 Volt auf, wo Elektronen genug Energie haben, um zweimal mit Wasserstoffatomen zu kollidieren.

Das Experiment zeigt diskrete Energieniveaus in Atomen und beweist, dass Elektronen nur bestimmte Energieniveaus annehmen können.

Historisch wurde das Experiment mit Quecksilberdampf durchgeführt, was einfacher zu realisieren war als mit Wasserstoff.

Bei Quecksilber benötigt man 4,9 Elektronenvolt, um das Atom in einen angeregten Zustand zu versetzen, was bei einer Spannung von 4,9 Volt zum ersten Stromabfall führt.

Interessanter Punkt: Bei der Rückkehr des Elektrons in den Grundzustand wird Energie in Form eines Photons abgestrahlt.

Das Phänomen, dass bei der Kollision zwischen Elektronen und Atomen Licht emittiert wird, ist bei Neon-Gas sichtbar.

Das Frank-Hertz-Experiment demonstriert das Konzept der quantisierten Energieniveaus und den Zusammenhang zwischen kinetischer Energie von Elektronen und atomaren Anregungszuständen.