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

Summary

In 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.