Franck-Hertz-Versuch: Warum wandern die leuchtenden Atome?

NatürlicheZahl · Anmeldungsdatum: 24.03.2008 Beiträge: 87 Wohnort: Berlin

Hallo,

bei der Durchführung des Franck-Hertz-Versuchs, erscheint ja in gewissen Abständen eine "Ebene" mit leuchtenden Atomen. Wenn man die Spannung erhöht, wandern diese ja in Richtung der Kathode. Warum geschieht das?

Dank!

para · Moderator Anmeldungsdatum: 02.10.2004 Beiträge: 2874 Wohnort: Dresden

Was hast du dir denn selbst dazu schon überlegt? Beziehungsweise: hast du den Franck-Hertz-Versuch an sich soweit schon verstanden?

Was passiert denn in den leuchtenden Bereichen? Was muss für die Elektronen dort gerade gelten, damit dies passiert? Und wie hängt das alles mit der durchlaufenen und der insgesamt angelegten Beschleunigungsspannung zusammen?

NatürlicheZahl · Anmeldungsdatum: 24.03.2008 Beiträge: 87 Wohnort: Berlin

Die leuchtenden Bereiche entstehen durch die portionsweise Abgabe von Energie der Elektronen auf die Atome (Helium, Quecksilbergas). Diese Abgabe erfolgt nur, wenn die Elektronen eine bestimmte Energie haben, die benötigt wird, um die Atome anzuregen (bei Helium ~20eV). Nachdem die Elektronen ihre Energie abgegeben haben, reicht diese nicht mehr aus, damit die Elektronen zu Auffangelektrode gelangen. Es muss die Beschleunigungsspannung erst wieder erhöht werden (+20eV bei Helium), damit die Energieabgabe an die Atome stattfinden kann.

Kommt das "Wandern" der leuchtenden Bereiche dadurch zustande, dass die Elektronen nicht genug Energie haben, um gegen die Gegenspannung anzulaufen und somit zurück gedrängt werden?

bottom · Anmeldungsdatum: 04.02.2009 Beiträge: 333 Wohnort: Kiel

die erklärung des Versuches ist schon garnichtmal so schlecht, der letzte schritt fehlt dir aber glaub ich noch

Vielleicht hilft es, wenn du dir die Potentialdifferenz zwischen Anode und kathode bildlich als potentialber vorstellst.
Was bedeutet es nun für diesen Berg, wenn du die Spannung erhöst?
und wie kannst du dir genannten 20ev hiermit in zusammensetzen?
überlege dir mal was mit den elektronen passiert, nachdem sie ihre energie das erste mal abgegeben haben.

NatürlicheZahl · Anmeldungsdatum: 24.03.2008 Beiträge: 87 Wohnort: Berlin

Mit den Begriffen Potentialdifferenz und Potentialberg kann ich leider nichts anfangen unglücklich

NatürlicheZahl · Anmeldungsdatum: 24.03.2008 Beiträge: 87 Wohnort: Berlin

Ist es vielleicht so, dass die beschleunigten Elektronen aus den Gasatomen Elektronen "rausschlagen" und somit die Gasatome positiv geladen sind?

EDIT: Aber es sind ja auch nicht die Atome die leuchten, sondern das Atom emittiert ja Photonen und diese leuchten!?

EDIT2: Ich glaube ich habe es verstanden: Die Elektronen werden beschleunigt und müssen eine Strecke entgegengesetzt des elektrischen Feldes zwischen der Beschleunigungskathode und der Anode bewältigen. Anfangs reicht ihre kinetische Energie dafür aus, und sie gelangen hinter das Gitter und somit zur Auffanganode. Wenn die Elektronen jedoch ihre Energie an die Heliumatome abgegeben haben, reicht ihre kinetische Energie nicht mehr aus, um zur Gitteranode zu gelangen. Durch das Erhöhen der Beschleunigungsspannung wird zusätzlich das elektrische Feld größer und somit endet die Beschleunigungsphase schon vor dem Gitter. Dadurch verschieben sich die leuchtenden "Ebenen".

Ist das richtig?

para · Moderator Anmeldungsdatum: 02.10.2004 Beiträge: 2874 Wohnort: Dresden

Ja, ich denke du meinst bei deinem zweiten Nachtrag das richtige.

Nach einem Stoß haben die Elektronen ja nur noch eine sehr geringe Energie. Bis zum nächsten (inelastischen) Stoß müssen sie erst einmal wieder die notwendige Anregungsenergie aufnehmen (indem sie beschleunigt werden).
Zwischen zwei Stößen müssen sie also eine gewisse Spannung (= Potentialdifferenz im E-Feld) durchlaufen, welche dieser Anregungsenergie entspricht.

Erhöht man die Beschleunigungsspannung, steigt die Feldstärke im Beschleunigungsbereich. Damit rücken die Bereiche konstanten Spannungsabstands räumlich näher aneinander.
Man beobachtet ja auch, dass mit zunehmender Spannung die Zahl der leuchtenden Bereiche zunimmt.

Ist das nachvollziehbar, und meintest du das etwa so?

NatürlicheZahl · Anmeldungsdatum: 24.03.2008 Beiträge: 87 Wohnort: Berlin

para · Moderator Anmeldungsdatum: 02.10.2004 Beiträge: 2874 Wohnort: Dresden

Okay, ich vermute es würde helfen wenn du dir noch einmal den Zusammenhang von elektrischem Feld, dem zugehörigen Potential und der elektrischer Spannung verdeutlichst.

Die Spannung zwischen zwei Punkten entspricht der Potentialdifferenz zwischen diesen Punkten. Durchläuft ein geladenes Teilchen (Ladung q) die Spannung U, z.B. von A nach B, ändert sich seine potentielle Energie um:

Nun legt man zwischen Kathode und Gitter (K und G bei Wikipedia) die Beschleunigungsspannung U_b an. In erster Näherung können wir das einmal als Plattenkondensator mit den Platten K und G betrachten zwischen denen die Spannung U_b anliegt. Das E-Feld zwischen den Platten ist homogen und konstant (Betrag der Feldstärke E), das Potential ist dann linear.
Legt eine Ladung auf ihrem Weg von einer Platte zur anderen eine Strecke s zurück, überwindet sie die Potentialdifferenz U für die gilt:

Die Potentialdifferenz ist also proportional zum zurückgelegten Weg.
Nun kennt man aber die Feldstärke zwischen den "Platten":

Dabei ist d der (feste) Abstand von K und G. Je höher wir also die Beschleunigungsspannung wählen, desto höher wird die Feldstärke, und desto kleiner sind die zurückgelegten Wege der Elektronen bis sie wieder genügend Energie haben, um mit den Atomen inelastisch zu stoßen. Denn brauchen sie die Energie W zum Stoß, gilt für den Abstand s zwischen zwei Stößen:

Natürlich ist das ein ziemlich vereinfachtes Modell, aber daran kann man sich das Grundproblem verdeutlichen.

Ist das besser nachvollziehbar?

NatürlicheZahl · Anmeldungsdatum: 24.03.2008 Beiträge: 87 Wohnort: Berlin

Danke für die tolle Erklärung. Bin gerade dabei es zu verstehen smile

Also um es konkret zu machen: Wenn wir zwischen zwei Kondensatorplatten eine Spannung von 20V haben, wie groß wäre dann die Potentialdifferenz? 20V?

para · Moderator Anmeldungsdatum: 02.10.2004 Beiträge: 2874 Wohnort: Dresden

NatürlicheZahl · Anmeldungsdatum: 24.03.2008 Beiträge: 87 Wohnort: Berlin

Und noch eine Frage smile

:
Wie kommst du zu dieser Umformung, wo kommt das W her?

para · Moderator Anmeldungsdatum: 02.10.2004 Beiträge: 2874 Wohnort: Dresden

W sollte die Energie (oder die Beschleunigungsarbeit zum erreichen dieser Energie) sein, die zum Anregen eines Atoms benötigt wird. Um diese zu erhalten muss die Spannung U durchlaufen werden:

.. und dann eben eingesetzt.

NatürlicheZahl · Anmeldungsdatum: 24.03.2008 Beiträge: 87 Wohnort: Berlin

Okay, ich glaube es leuchtet mir ein. Vielen Dank!! Big Laugh

Folglich wäre es dann so:
Die Elektronen werden beschleunigt und es erfolgen zunächst elastische Zusammenstöße zwischen den Elektronen und den in der Franck-Hertz-Röhre vorhandenen Helium Atomen. Bei diesen elastischen Stößen geben die Elektronen jedoch keine Energie ab, der Strom an der Auffangelektrode steigt.
Bei ca. 20 Volt (Helium) haben die Elektronen dann die passende Energie, um diese bei nun unelastischen Zusammenstößen in einer Portion an die Helium Atome abzugeben. Dabei verlieren sie ihre Energie und es kommen nicht mehr soviele Elektronen an der Auffangelektrode an. Dadurch sinkt der Strom wieder, jedoch nicht auf Null, da ja nicht alle Elektronen mit den Heliumatomen zusammenstoßen.
Die angeregten Heliumatome senden Photonen aus, da die Elektronen im Heliumatom in einen niedrigeren Zustand springen. Somit entstehen die leuchtenden Ebenen.
Nach weiteren 20 Volt, wiederholt sich der Vorgang, da dann wieder die passende Energie abgegeben werden kann.
Die Verschiebung kann man sich so erklären, dass bei steigender Beschleunigungsspannung die elektrische Feldstärke zunimmt und somit die Elektronen ihre Energie schon nach kürzerem Weg wieder abgeben können. Dies ist damit zu begründen, dass die Potentialdifferenz proportional zum zurückgelegten Weg ist:

. Wenn man dies umstellt und die Formel

benutzt, erhält man einen Gleichung

. Damit wird das eben erklärte bestätigt: Bei zunehmender Spannung wird der Weg, bis die Elektronen wieder die nötige Energie haben, kürzer.

Ist das nun so richtig und vollständig? smile

bottom · Anmeldungsdatum: 04.02.2009 Beiträge: 333 Wohnort: Kiel

ja, so ist es richtig, mir scheint du hast es jetzt vollständig verstanden Thumbs up!

eine gute, präzise erklärung smile

NatürlicheZahl · Anmeldungsdatum: 24.03.2008 Beiträge: 87 Wohnort: Berlin

Okay, super! Danke für eure Hilfe Thumbs up!

Jinya · Anmeldungsdatum: 10.06.2012 Beiträge: 7

Darf man so ein altes Thema nochmal an die Oberfläche holen? Ich hoffe es.

Ich befasse mich nämlich grade auch mit dem Thema und der Thread hat mir sehr weitergeholfen aber ich habe doch eine Frage zu folgender Formulierung: