Franck-Hertz-Versuch - Prof. Dr. Hubert Motschmann

Department of Chemistry, University of Regensburg

27 Oct 202012:39

Summary

TLDRDas Video erklärt das historische Frank-Hertz-Experiment, das die Quantisierung von Energie in Atomen demonstriert. Elektronen werden in einer evakuierten Röhre beschleunigt und treffen auf Quecksilberatome. Bei bestimmten Energien verlieren sie kinetische Energie durch inelastische Stöße, was zu einem Abfall des gemessenen Stroms führt. Diese Abfälle treten periodisch bei 4,9 Volt auf, was die diskreten Energieniveaus der Quecksilberatome bestätigt. Das Experiment zeigt, dass Atome nur in definierten Zuständen existieren können und Licht emittieren, wenn sie von einem angeregten Zustand in den Grundzustand zurückfallen.

Takeaways

🔬 Das Frank-Hertz-Experiment zeigt diskrete Energiezustände in Atomen und ermöglicht den Nachweis quantisierter Energieniveaus.
💡 Elektronen können entweder in einem Grundzustand oder einem angeregten Zustand existieren, zwischen denen eine wohldefinierte energetische Differenz besteht.
🔧 Das Experiment nutzt eine evakuierte Glasröhre mit einer Glühkathode, die Elektronen emittiert, die durch eine Beschleunigungsspannung beschleunigt werden.
📉 Der Stromfluss nimmt mit steigender Beschleunigungsspannung zu, zeigt jedoch Einbrüche bei bestimmten Spannungswerten (4,9 Volt, 9,8 Volt usw.).
⚡ Die Einbrüche im Stromfluss treten auf, weil Elektronen Energie auf Quecksilberatome übertragen, die dadurch in angeregte Zustände übergehen.
🌡️ Bei einer bestimmten Temperatur von etwa 165 Grad Celsius und mit Quecksilberdampf gefüllter Röhre wird das Experiment durchgeführt.
🎯 Die periodischen Einbrüche im Strom sind das Ergebnis inelastischer Stöße der Elektronen mit Quecksilberatomen, die zu Energieverlusten führen.
🌈 Die durch das Experiment erzeugten UV-Lichtfrequenzen bestätigen die quantisierten Energieniveaus, wobei die 4,9 eV die Anregungsenergie des Quecksilbers darstellen.
🔁 Der Strom zeigt periodische Oszillationen, die durch wiederholte Stöße der Elektronen mit den Quecksilberatomen verursacht werden.
📏 Die Energieunterschiede zwischen den Stromminima betragen etwa 4,9 eV, was die Existenz von diskreten Energieniveaus in Atomen demonstriert.

Q & A

Was zeigt das historische Atommodell, das im Skript erwähnt wird?
-Das historische Atommodell zeigt, dass ein Atom in einem automatisierten Energiesystem entweder in einem angeregten Zustand oder in seinem Grundzustand existieren kann, und dass zwischen diesen Zuständen eine wohl definierte energetische Differenz besteht.
Welche Rolle spielt die Beschleunigungsspannung in dem beschriebenen Experiment?
-Die Beschleunigungsspannung bestimmt die kinetische Energie der Elektronen, die in der evakuierten Glasröhre erzeugt werden. Sie wird verwendet, um die Elektronen durch das Gitter zur Anode zu leiten.
Was passiert, wenn die Gegenfeldspannung größer ist als die kinetische Energie der Elektronen?
-Wenn die Gegenfeldspannung größer ist als die kinetische Energie der Elektronen, können die Elektronen die Anode nicht erreichen und fließen stattdessen über das Gitter ab.
Was wird gemessen, wenn die Beschleunigungsspannung erhöht wird?
-Es wird die Stromstärke gemessen, die durch das Amperemeter fließt, in Abhängigkeit von der angelegten Beschleunigungsspannung. Je höher die Spannung, desto größer ist der Stromfluss, allerdings nicht immer linear.
Welche Auswirkung hat der Zusatz von Quecksilberdampf auf das Experiment?
-Der Zusatz von Quecksilberdampf führt zu periodischen Einbrüchen im Stromfluss, die bei bestimmten Spannungswerten auftreten, z.B. bei 4,9 Volt. Diese Einbrüche sind das Ergebnis inelastischer Stöße zwischen Elektronen und Quecksilberatomen.
Warum tritt bei 4,9 Volt ein Stromeinbruch auf?
-Bei 4,9 Volt verlieren die Elektronen durch inelastische Stöße ihre kinetische Energie an die Quecksilberatome, wodurch sie nicht mehr genug Energie haben, um die Anode zu erreichen. Dies führt zu einem Einbruch im Stromfluss.
Wie wird die Energie zwischen den Zuständen im Quecksilberatom übertragen?
-Die Energie wird durch inelastische Stöße zwischen den Elektronen und den Quecksilberatomen übertragen. Dabei wird die kinetische Energie der Elektronen genutzt, um die Quecksilberatome in einen angeregten Zustand zu versetzen.
Welche Rolle spielt das Licht im UV-Bereich im Experiment?
-Das Licht im UV-Bereich wird von den angeregten Quecksilberatomen emittiert, wenn diese wieder in ihren Grundzustand zurückkehren. Die Frequenz des Lichts kann mit der Plankschen Wirkungsquantum berechnet werden und korreliert mit der Energie von 4,9 Elektronenvolt.
Welche Erkenntnisse liefert das Frank-Hertz-Experiment bezüglich der Quantisierung von Energieniveaus?
-Das Frank-Hertz-Experiment zeigt, dass Quecksilberatome nur diskrete Energiemengen absorbieren können, die zu spezifischen Energiezuständen führen. Diese quantisierten Energieniveaus erklären die periodischen Einbrüche im Stromfluss bei bestimmten Spannungswerten.
Wie wird die Beschleunigungsspannung im Frank-Hertz-Experiment modifiziert und was ist das Ergebnis?
-Die Beschleunigungsspannung wird im Frank-Hertz-Experiment zwischen null und 60 Volt sägezahnförmig hochgeregelt. Das Ergebnis sind periodische Oszillationen im Stromfluss, die durch inelastische Stöße der Elektronen mit den Quecksilberatomen verursacht werden.

Outlines

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🔬 Einführung in das Frank-Hertz-Experiment und den quantisierten Energiezustand von Atomen

Im ersten Abschnitt wird das historische Frank-Hertz-Experiment vorgestellt, welches die Existenz quantisierter Energiezustände in Atomen nachweist. Es beschreibt den Aufbau des Experiments mit einer evakuierten Glasröhre, einer Glühkathode, und einer Beschleunigungsspannung, die die kinetische Energie der Elektronen bestimmt. Das Experiment zeigt, dass Elektronen, abhängig von ihrer kinetischen Energie, entweder durch ein Gitter fließen oder von einer Gegenspannung abgelenkt werden. Die Stromstärke wird als Funktion der Beschleunigungsspannung gemessen, wobei erwartet wird, dass der Strom mit steigender Spannung zunimmt.

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⚡ Quecksilberdampf und inelastische Stöße im Frank-Hertz-Experiment

Im zweiten Abschnitt wird das Experiment mit der Einführung von Quecksilberdampf modifiziert. Es wird festgestellt, dass der Stromfluss bei bestimmten Spannungen Einbrüche zeigt, die bei einem Vielfachen von 4,9 Volt auftreten. Diese Einbrüche entstehen durch inelastische Stöße der Elektronen mit den Quecksilberatomen, wobei die kinetische Energie der Elektronen genutzt wird, um das Quecksilber in einen angeregten Zustand zu versetzen. Die Elektronen verlieren dadurch Energie und können die Anode nicht mehr erreichen. Das Experiment bestätigt, dass Quecksilber in quantifizierten Energiezuständen existiert und dass diese Energie durch den Stoß mit den Elektronen übertragen wird.

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💡 Periodische Oszillationen und die Bedeutung der Energieübertragung

Der dritte Abschnitt erklärt die periodischen Oszillationen, die beim Frank-Hertz-Versuch beobachtet werden. Diese entstehen durch inelastische Stöße der Elektronen mit Quecksilberatomen bei spezifischen Energien, was zu wiederholten Einbrüchen im Strom führt. Wichtig ist, dass die Elektronen ihre Energie an die Atome abgeben, wodurch die Stromstärke abnimmt. Die Oszillationen zeigen, dass Quecksilberatome nur in diskreten Energieportionen Energie aufnehmen können. Der Abstand zwischen den Oszillationen entspricht ungefähr 4,9 Elektronenvolt, was die quantisierten Energiezustände der Atome bestätigt.

Mindmap

Keywords

💡Frank-Hertz-Experiment

Das Frank-Hertz-Experiment ist ein historisches Experiment, das die Existenz quantisierter Energieniveaus in Atomen demonstriert. Im Video wird beschrieben, wie Elektronen in einer Quecksilberatmosphäre beschleunigt und gestoppt werden, um nachzuweisen, dass Atome nur diskrete Energiemengen aufnehmen können. Es zeigt auch, wie Elektronen ihre kinetische Energie an angeregte Quecksilberatome abgeben.

💡Quantisierte Energieniveaus

Quantisierte Energieniveaus beziehen sich auf die Tatsache, dass Atome nur bestimmte, festgelegte Energiemengen aufnehmen oder abgeben können. Im Video wird erklärt, dass diese Energieniveaus durch das Frank-Hertz-Experiment nachgewiesen werden, indem Elektronen Energie an Quecksilberatome übertragen und somit ihre kinetische Energie verringern.

💡Elektronen

Elektronen sind subatomare Teilchen mit negativer Ladung, die im Experiment verwendet werden, um Atome zu stoßen und ihre Energie abzugeben. Im Kontext des Videos werden sie in einer evakuierten Glasröhre beschleunigt und durch Spannungen gesteuert, um ihre Interaktionen mit Quecksilberdampf zu untersuchen.

💡Beschleunigungsspannung

Die Beschleunigungsspannung ist die Spannung, die verwendet wird, um die kinetische Energie der Elektronen im Experiment zu bestimmen. Je höher die Spannung, desto schneller bewegen sich die Elektronen. Im Video wird erklärt, wie diese Spannung erhöht wird, um zu beobachten, wie die Elektronen auf die Quecksilberatome stoßen.

💡Inelastische Stöße

Ein inelastischer Stoß tritt auf, wenn ein Elektron auf ein Atom trifft und einen Teil seiner Energie auf das Atom überträgt. Dies führt zu einer Verringerung der kinetischen Energie des Elektrons, wie im Video beschrieben, wo die Elektronen Energie an die Quecksilberatome abgeben und dadurch der Strom einbricht.

💡Anregung

Anregung bezeichnet den Prozess, bei dem ein Atom durch den Energieaustausch mit einem Elektron in einen höheren energetischen Zustand versetzt wird. Im Video wird dies durch die Stöße der Elektronen mit den Quecksilberatomen demonstriert, die die Atome in einen angeregten Zustand versetzen.

💡Grundzustand

Der Grundzustand ist der niedrigste energetische Zustand eines Atoms. Im Video wird erklärt, dass Atome zwischen dem Grundzustand und angeregten Zuständen wechseln, abhängig davon, ob sie Energie durch Stöße mit Elektronen aufnehmen oder abgeben.

💡Quecksilberdampf

Quecksilberdampf wird im Frank-Hertz-Experiment als Medium verwendet, in dem die Elektronen auf Atome stoßen und ihre Energie übertragen. Im Video wird erläutert, wie Quecksilberatome in quantisierte Energieniveaus angeregt werden, was zu den beobachteten periodischen Einbrüchen im Strom führt.

💡Elastische Stöße

Elastische Stöße sind Kollisionen, bei denen Elektronen auf Atome treffen, ohne dass Energie zwischen ihnen ausgetauscht wird. Das Elektron behält seine kinetische Energie bei, und das Atom bleibt im Grundzustand. Im Video werden diese Stöße im Gegensatz zu inelastischen Stößen erwähnt.

💡Stromstärke

Die Stromstärke ist ein Maß für den Elektronenfluss in einem elektrischen Stromkreis. Im Frank-Hertz-Experiment wird die Stromstärke gemessen, um zu beobachten, wie sie in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung und den Elektronenstößen mit den Quecksilberatomen variiert. Periodische Einbrüche in der Stromstärke weisen auf inelastische Stöße hin.

Highlights

Das Frank-Hertz-Experiment zeigt quantifizierte Energieniveaus in Atomen, insbesondere in Quecksilberatomen.

Elektronen verlieren kinetische Energie bei inelastischen Stößen mit Quecksilberatomen, was zu einem Stromeinbruch führt.

Quecksilberatome haben diskrete Energieniveaus, die durch inelastische Elektronenstöße angeregt werden.

Die Elektronen geben ihre kinetische Energie an die Quecksilberatome ab, wenn sie in den angeregten Zustand übergehen.

Das Experiment wird mit einer evakuierten Glasröhre durchgeführt, die eine Glühkathode und eine Anode enthält.

Der Strom steigt mit zunehmender Beschleunigungsspannung an, bricht jedoch bei spezifischen Spannungen aufgrund der Energieübertragung auf Quecksilberatome ein.

Die periodischen Stromeinbrüche treten bei Vielfachen von 4,9 Volt auf, was auf diskrete Energieniveaus hinweist.

Das Frank-Hertz-Experiment bestätigt die Quantentheorie durch die Messung von quantisierten Energieniveaus in Atomen.

Das Experiment zeigt, dass ein Atom nur in bestimmten, diskreten Energiezuständen existieren kann.

Quecksilberatome emittieren UV-Licht, wenn sie nach einem Elektronenstoß in ihren Grundzustand zurückkehren.

Das Experiment illustriert die kinetische Energie der Elektronen als Funktion der angelegten Beschleunigungsspannung.

Das Auftreten mehrerer Stromeinbrüche zeigt, dass Elektronen mehrere inelastische Stöße mit Quecksilberatomen ausführen können.

Die Oszillationen des Stroms in Abhängigkeit von der Spannung zeigen periodische Energieabgaben der Elektronen.

Die Abstand zwischen den Stromminima beträgt etwa 5 Volt, was der Energieübertragung an die Atome entspricht.

Das Frank-Hertz-Experiment ist ein fundamentales Experiment zur Bestätigung der Quantentheorie und wird oft in Praktika verwendet.