Franck-Hertz-Versuch - Prof. Dr. Hubert Motschmann
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
🔬 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.
⚡ 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.
💡 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
💡Quantisierte Energieniveaus
💡Elektronen
💡Beschleunigungsspannung
💡Inelastische Stöße
💡Anregung
💡Grundzustand
💡Quecksilberdampf
💡Elastische Stöße
💡Stromstärke
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.
Transcripts
[Musik]
ein weiterer schlüssel experiment
konnten michalek werden denn sicher im
laufe
[Musik]
frank herzer so einschlägt damit stützte
sehr historische atom modell zeigt an
dass in ein automatisierter energie
zuständig atom kann in einen angeregten
zustand oder in seinen grundzustand
existieren und zwischen den beiden ist
eine wohl definierte energetisch in
erkenntnis der frank herz versucht ein
schlüssel experiment die quantenmechanik
durch ihn konnte
quantifizierte energiezustände in einen
atom nachgewiesen werden der aufbau ist
recht einfach eine evakuierte glasröhre
hier ist eingearbeitet eine glüh kathode
das heißt die anliegen der heydt
spannung bringt den draht zum glühen und
wir wissen da können jetzt glüh elektron
austreten
weiterhin ist hier ein gitter
eingearbeitet das ist recht groß
matschig und stellt für die meisten
elektronen kein hindernis dar
es wird eine spannung angelegt und die
spannung zwischen gitter und glüht
kathode nennt man die beschleunigung
spannung
diese beschleunigung spannung legt die
kinetische energie fest die kinetische
energie der elektronen ist ein halb mv
quadrat wird bestimmt seien durch die
durchlaufende spannungs differenz die
meisten elektronen treten hier durch das
gitter durch
in den zweieinhalb raum und da befindet
sich jetzt eine anode ein strommessgerät
1 ampere meter und zwischen gitter und
anode wird eine gegen spannung angelegt
wenn die gegend spannung grösser ist als
die kinetische energie der elektronen
passiert folgendes die elektronen
fliegen bewegen sich hierhin reichen
aber nicht die anode für diese wieder
zurück und fließen über das gitter ab
also hier werden nur elektronen
registriert der eine kinetische energie
haben die größer ist als die von der
gegend spannung e mail dass das
experiment und was misst man jetzt wir
messen die stromstärke ii in dem am
perimeter als funktion der angelegten
beschleunigungs spannung
was erwarten wir je größer die
beschleunigungs spannung umso größer ist
der stromfluss das muss kein linearer
zusammenhang sein wie beim ocean gesetz
aber wird steigen
und genau diese can kurve messe ich in
dem system
je größer die beschleunigung spannung
umso größer der stromfluss jetzt wird
das experiment in einem nächsten schritt
weiter modifiziert
man gibt quecksilber hinzu
quecksilberdampf der partiell druck ist
recht klein vielleicht 20 million führt
man genau das gleiche experiment durch
unbeobachtet jahr die spannung mit der
beschleunigung spannung steigt der
stromfluss aber jetzt gibt es einen
einbruch
es steigt wieder an und es gibt einen
einbruch und es steigt an und es gibt
einen einbruch das ist das was ich hier
messe spannung schritt hochgedreht strom
jetzt bricht der 1 warum
und das ist genau bei 4,9 wollt danach
steigt wieder an und bricht wieder ein
und zwar jetzt bei zweimal 4,9 volt und
jetzt bricht ein und steigt wieder an um
danach wieder einzubrechen und beim wert
wer dreimal 4,9 volt entspreche das sind
die experten befunde
jetzt müssen die ergebnisse gedeutet
werden
ja und die idee waren die elektronen
treffen auf quecksilber atome und stoßen
und es kann dabei auch ein elastischer
steuers passieren nämlich dann wenn es
einbricht dann wird das elektronisches
weiterhin ein elektron aber das
quecksilber ist ein angeregtes
quecksilber turm und die energie zum
anregen des quecksilbers wurde der
kinetischen energie des elektrons
entnommen
das elektron hat jetzt nicht mehr
genügend energie um die a-note zu
erreichen dass gegen feld zu durchlaufen
es fließt über das gitter ab also das
wäre ein elastischer stoß
das spiel geht weiter hier die
beschleunigung spannung wird hoch
geregelt und an diesem punkt hat es
elektronen die möglichkeit zwei in
elastische stöße mit quecksilber atom
auszuführen und als folge davon energie
zu verlieren
die zu einem strom ein bruch führen hier
werden 73 in elastische stöße also die
wichtige die war das quecksilber
existiert in quantifizierten
energiezustände einen grundzustand einen
angeregten zustand und die energie
zwischen diesen beiden zuständen wird
der kinetischen energie des elektrons
entnommen
dieses wechselbad um was angeregt ist
bleibt nicht lange in diesem angeregten
zustand
es imitiert licht und dieses licht im
blick im uv bereich
und wenn man die frequenz des lichtes
haar menü bestimmt mit der planke
wirkungs kanton multipliziert man sieht
man das alles zusammen kommt diese 4,9
elektronenvolt ist eigentlich das was
die frequenz des lichtes hier bestimmt
also eine wichtige interpretation in
einem atom gibt es quantifizierte
energiezustände in denen das atom
existieren kann
und wenn ein partner genügend energie
mitbringt kann er angeregt werden in
diesem zustand und dieses anregen sehe
ich jetzt als ein einbruch der
stromstärke weil die elektronen nicht
mehr genug kinetische energie haben um
das gegen feld zu durchlaufende strom
bricht ein wunderschönes experiment das
sich sicher auch im praktikum mittel
führen
jetzt geht es um den frank herz was wir
haben eine röhre ähnlich dem
historischen experiment die mit
quecksilberdampf gefüllt ist die
temperatur in der röhre die versuchen
konstant zu halten und haben circa 165
grad celsius eingestellt die elektronen
die aus diesen filament imitiert werden
gelangen auf eine metall elektrode ein
metallgitter und zwar haben wir da eine
beschleunigung spannung angelegt die wir
zwischen null und 60 volt sägezahn
förmig hoch regeln
das ganze läuft periodisch ab und das
signal die beschleunigungs spannung legt
man auf die iks ablenkung eines
oszilloskop wir müssen den strom in der
zelle den strom an der aufwand elektrode
dem kollektor zwischen die metallgitter
und dem kollektor liegt eine konstante
brems spannung von circa 15 - 15 volt an
schauen wir uns dies oszilloskop genauer
nach oben messen wir den strom an der
aufgang elektrode nach rechts die
beschleunigungs spannung die wir wie
gesagt periodisch zwischen null und 60
volt hochfahren und das entscheidende
beim frank herz versuch ist dass der
strom periodische oszillationen zeigt
periodische einbrüche diese periodischen
einbrüche kommen dadurch zustande dass
die elektronen in dem elektrischen feld
beschleunigt werden und an ganz
bestimmten bei ganz bestimmten energien
in elastisch mit dem quecksilber atomen
stoßen ihre energie an die quecksilber
atome abgeben
danach bricht der strom ein weil diese
elektronen nicht mehr genügend energie
haben um die brems spannung zwischen
metallgitter und aufwand elektrode zu
überwinden
da aber nie alle elektronen gleichzeitig
stoßen erreicht der sturm nur ein
minimum und geht nicht auf null
die elektronen gewinnen dann wieder
energie im elektrischen feld und können
erneut stoßen und es erklärt eben diese
mehrfach oszillationen wichtig an dem
frank herz experiment ist dass diese
oszillationen äquidistanz sind mit
unserer energie auflösung liegt jetzt
zwischen maximum und maximum also wenn
man jetzt mal zwischen den zwei da
schauen ungefähr 5 volt das entspricht
einer energie von fünf volt in der
literatur wird es im allgemeinen mit 4,9
ewald angegeben und es zeigt uns eben
das quecksilber atom stellvertretend für
alle atomenergie nur in diskreten
portionen aufnehmen kann weiß eben dies
kann
[Musik]
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