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

Summary

Das 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.