Der Franck-Hertz-Versuch - Aufbau, Ergebnis, Erklärung (Physik)
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
🔬 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.
⚡ 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
💡Glühkathode
💡Elektronenvolt
💡Anregungszustand
💡Brems-Spannung
💡Grundzustand
💡Diskrete Energieniveaus
💡Stromstärke
💡Photon
💡Energieniveau
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.
Transcripts
in diesem video schauen wir uns das so
genannte frank herz experiment wollen
wir mal an indem wir uns den
versuchsaufbau anschauen wir haben hier
einen glasbehälter oder in glasgow und
in diesem glasrohr befindet sich ein gas
aus atom wasserstoff das heißt hier
schweren überall herum dann haben wir
auf einer seite der röhre eine glüh
kathode durch diese glück atom fließt
ein strom durch diesen stromkreis
dadurch beginnen sie zu glühen und
emittiert elektronen diese elektronen
die wehren von dieser spannung in diese
richtung beschleunigt bis zu diesem
gittern durch dieses gitter kommt es
durch und dann werden sie von einer
brems spannung abgebremst du siehst dass
diese beiden spannungen
entgegengerichtet sein
wenn diese elektronen genügen kinetische
energie haben dann können es schaffen
bis zur anode zu gelangen und dann
fließen diese elektronen durch den
stromkreis das heißt hier wird ein strom
fließen diesen strom bezeichnen wir mit
dieser spannung von dieser
spannungsquelle die mit seinem abitur
und diese spannung die die elektronen
abbremst die bezeichnen wir ok das ist
die so genannte brems spannung und dies
meistens ziemlich klein ungefähr 0,5 bar
was wir machen werden wir werden diese
spannung die werden wir variieren und
wir werden uns anschauen was mit diesem
strom passiert sagen wir das ganze mal
und folgen dem diagramm auf seien hier
die stromstärke abhängig von dieser
spannung auf sagen wir mal an sagen wir
mal dass diese spannende zuerst 0 volt
ist das heißt diese elektronen die von
der glut kathode freigesetzt werden die
bären nicht beschleunigen die bewegen
sich nicht in diese richtung deswegen
wird auch kein strom fließen soll wenn
wir jetzt diese spannung langsam auf
drehen dann werden diese elektronen in
dieser richtung beschleunigt das heißt
der strom wird immer größer bis zu einem
gewissen punkt dieser punkt ist genau
10,2 volt ab diesem punkt nimmt dann auf
einmal die stromstärke ab und die frage
ist jetzt warum passiert aus das liegt
daran da diese elektronen natürlich
immer mit diesem wasserstoffatomen
zusammenstoßen wenn diese elektronen
aber nicht genügend energie haben dann
kommt es ihr zum ersten anstoß das heißt
diese elektronen differieren keine
kinetische energie
aber wenn diese elektronen genügend
energie haben das passiert genau bei
dieser spannung von 10,2
wenn du so elektronen über eine spannung
von 10,2 volt beschleunigt dann haben
sie am ende eine energie von 10,2
elektronenvolt so ist diese einheit
elektronenvolt definiert und dann
passiert folgendes schauen wir uns mal
dass porsche atom modellen vom
wasserstoff an das elektron befindet
sich im grundzustand auf der innersten
bahn und die energie dieser innersten
bahn dieses minus 13,6 elektronenvolt
die energie der zweiten bahn die s minus
3,4 elektronenvolt wenn jetzt ein
elektron daher kommt mit einer
kinetischen energie von 10,2
elektronenvolt das ist genau die
differenz von diesen beiden
energieniveaus dann ist genügend energie
vorhanden wenn dieses elektron energien
dieses atom weitergibt um dieses
elektron in die zweite bahn zu
schleudern dann befindet sich dieses
atom im ersten angeregten zustand und
dieses elektron das hat ein keine
kinetische energie mehr dass er die
ganze kinetische energie an dieses atom
weitergegeben und dann haben diese
elektronen hier auf einmal keine
kinetische energie mehr um diese brems
spannung zu überwinden das heißt dieser
strom der wird weniger
wenn wir jetzt diese spannung weiter
aufdrehen dann wird dieses stromstärke
wieder ansteigen bis zu einer spannung
von 20,4 wollen dann singt diese
stromstärke wieder ab weil dieser
spannung 20,4 wollen da passiert jetzt
folgen dass du siehst dass diese
spannung genau das doppelte dieser
spannung ist das heißt es gibt jetzt
elektronen die genügend energie haben um
zwei mal mit so einem wasserstoff atomen
zusammenzustoßen das führt dann dazu
dass diese elektronen ihre ganze energie
abgeben das heißt sie haben danach keine
energie mehr und können diese brems
spannung nicht mehr überwinden deswegen
sind diese stromstärke wieder genau das
gleiche passiert dann auch bei 30,6
wollt zuerst steigt die stromstärke
wieder an bei 30,6 world das ist genau
das dreifache von dieser spannung kommt
es dann zu drei zusammenstößen dh die
stromstärke die wir denn wieder absenken
und so weiter und so funktioniert das
frank herz experiment und so kann man
sich das ganze erklären und dieses
experiment das war ein beweis dafür dass
es in atomen diskrete energieniveaus
gibt das heißt dass diese elektronen in
den atomen nur ganz bestimmte energien
annehmen können im wasserstoffatom zum
beispiel könnte dieses elektron nie eine
energie von -10 elektronenvolt zum
beispiel haben sie nur ganz bestimmte
energieniveaus erlaubt historisch
gesehen hat man dieses experiment nicht
mit wasserstoff durchgeführt sondern mit
quecksilberdampf das war einfach viel
einfach zu realisieren
das prinzip ist aber genau das gleiche
bei quecksilber braucht es eine energie
von 4,9 elektronenvolt um dieses atom in
den angeregten zustand zu bringen das
heißt bei einer spannung von 4,9 volt
hat man den ersten abfall der
stromstärke gesehen und so weiter das
funktioniert ganz gleich wie bei
wasserstoff einen interessanten punkt
möchte ich noch kurz an sprechen und
zwar wenn wir so ein atom in den
angeregten zustand bringen dann ist das
ganze ziemlich instabil und dieses
elektron wird ziemlich schnell wieder in
den grundzustand zurückfallen dabei
strahlt energie in form eines photons ab
das heißt man müsste dort wo es zu den
kollisionen zwischen den elektronen und
den wasserstoff atomen kommt dort müsste
man nicht sehen das tut man aber bei
wasserstoff nicht weil dieses foto und
hier ultravioletten bereich gleich ist
es bei quecksilber anders ist es zum
beispiel bei neon gas dort sieht man
sobald man diese spannung erreicht hat
bei der man den ersten ab weil der
stromstärke sieht sobald man diese
spannung erreicht hat sieht man hier in
der nähe des gitters licht das bedeutet
in diesem bereich stoßen die elektronen
mit dem wasserstoff atomen zusammen
diese wasserstoffatome die springen dann
ziemlich schnell wieder in den
grundzustand zurück dieses phänomen das
sieht man ziemlich häufig wenn man sich
ein bild von diesem franz herz versuch
anschaut was du dir jetzt noch weitere
videos zum porschen atom modell
anschauen willst dann verlinke ich der
die playlist wo du diese videos finden
kannst jetzt noch unten in der video
beschreibung
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