Franck-Hertz-Versuch

Franck-Hertz-Versuch
Quecksilberröhre mit Heizofen
Kurzbeschreibung
Demonstration des Franck-Hertz-Versuchs bzw. experimenteller Nachweis diskreter Energieniveaus.
Kategorien
Atom- und Kernphysik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	Sek. II
Basiskonzept:	Energie, Wechselwirkung, Struktur der Materie
Sonstiges
Durchführungsform	Lehrerdemoexperiment
Anspruch des Aufbaus	mittel
Informationen
Name:	Jonas Herrmann
Kontakt:	herrmajo@hu-berlin.de
Uni:	Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in:	Daniel Zechlin

Die Physik stand am Anfang des 20. Jahrhunderts vor einem Umbruch. Mit der Entdeckung des Wirkungsquantums um 1900, bereitete Max Planck den Weg für den Welle-Teilchen-Dualismus und damit einem neuen Zweig der Naturwissenschaften, der Quantenphysik. Niels Bohr gelang es 1913 aufgrund dieses neuen Denkansatzes, ein Atommodell zu entwickeln in dem zum ersten Mal diskrete Energieniveaus von Elektronen, also eine Quantelung in Energiepakete, postuliert wurden. Der Franck-Hertz-Versuch, durchgeführt von James Franck und Gustav Hertz in den Jahren 1911-1914, bestätigte das Bohr'sche Atommodell in diesem Punkt und ist somit eines der wichtigsten Experimente der Physik des letzten Jahrhunderts

In einer mit Quecksilber gefüllten Glasröhre wurden Elektronen beschleunigt. Dies führte zu Stößen zwischen den Quecksilberatomen und den Elektronen. Bei der Auswertung dieses Versuchs stellte sich heraus, dass nur bei bestimmten Energien eine Anregung der Außenelektronen des Quecksilbers erreicht wird. Dies und auftretende Leuchterscheinungen, welche spektroskopisch untersucht wurden, führten zur Bestätigung des Bohr'schen Atommodells.

Didaktischer Teil

Was ein Atom ist und woraus es besteht, ist im Physikunterricht eine der abstraktesten Vorstellungen, die SchülerInnen abverlangt wird. Selbst Physiker, die weit mehr über das Verhalten von Quantenobjekten wissen und verstehen, bedienen sich vereinfachender Modelle, weil die „Quantenwelt“ nur indirekt erfahrbar ist.
Daher benötigt man für den Unterricht auch Modelle, die zwar möglichst einfach sind, jedoch zumindest Teile der Realität richtig darstellen. Hierfür ist das Bohr'sche Atommodell ein beliebtes Hilfsmittel, um SchülerInnen die Grundaspekte eines Atoms näher zu bringen. Da damit aber nur ein Teil der wahren Struktur erklärt werden kann, entstehen häufig ungewollt Fehlvorstellungen. Zum Beispiel werden Elektronen häufig als eine Art Planeten, die sich elliptisch um den Atomkern drehen, gesehen.

Der Franck-Hertz-Versuch eignet sich wie kein anderes Experiment, um den Sinn hinter dem Bohr'schen Atommodell zu erfassen, da er historisch die Bestätigung der Bohr'schen Postulate darstellt.
Dass die wichtigste Erkenntnis die Quantelung von Energie ist, lässt sich hier selbst nachprüfen. Der Aufbau ist zwar anspruchsvoll, aber auch überschaubar und die Durchführung lässt sich mit einer schülergerechten Anleitung sehr einfach umsetzen. Hinzu kommt, dass die Resultate sehr gut reproduzierbar und dadurch eindrucksvoll klar sind. In diesem Experiment kann also der Schlüssel zur Verhinderung von Fehlvorstellungen und zum allgemeinen Verständnis des Zwecks von Modellen liegen.
Wenn man als LehrerIn die Chance nutzt und sicherstellt, dass die Mehrzahl der SchülerInnen verstanden hat, warum dieser Versuch einer der wichtigsten der frühen modernen Physik ist, ebnet man den Weg zum tieferen Verständnis der Physik an sich.

Versuchsanleitung

benötigte Materialien

Abb. 2: Versuchsaufbau zum Franck-Hertz-Versuch

1x Stativtisch
1x Netzteil für Franck-Hertz-Versuch (Conatex CL09031)
1x CASSY - Modul
1x PC mit CASSY - Schnittstelle
1x Quecksilberröhre für Franck-Hertz-Versuch
1x Heizofen
diverse Kabel

Versuchsaufbau

Zunächst muss die Quecksilberröhre mit dem vorgesehenen Netzteil verbunden werden. Hierzu werden die Kathode, Anode und Heizer der Röhre mit den entsprechenden Buchsen des Netzteils (K, A und H) verbunden. Zudem muss noch der Auffängerstrom mithilfe eines abgeschirmten Kabels zum Netzteil gelangen (Buchse M).
Um die Beschleunigungsspannung zu messen, werden die ersten Messanschlüsse des CASSY - Moduls parallel zu Kathode und Anode geschaltet. Der andere Eingang des Moduls dient der Messung des Auffängerstroms. Dieser wird nicht direkt gemessen, sondern mithilfe einer proportionalen Spannung die am Netzteil abgegriffen wird.
Abschließend muss das CASSY-Modul noch mit einem PC verbunden und der Heizofen mit Strom versorgt werden. Zur besseren Sichtbarkeit ist es zu empfehlen, die Gasröhre mithilfe eines Stativtisches erhöht zu platzieren.

Der Aufbau ist in Abbildung 2 dargestellt.

Versuchsdurchführung

Abb. 3: Schaltskizze

Bevor der Versuch durchgeführt werden kann, muss der Heizofen auf eine Temperatur von ungefähr 180°C gebracht werden, damit ausreichend Quecksilber in gasförmigem Zustand vorhanden ist. Nun wird die Spannung des Heizers auf 8V und die Gegenspannung zwischen Gitter und Auffängerelektrode auf 2V eingestellt. Danach kann die Messung beginnen. Hierzu stellt man mit dem CASSY-Programm die Spannung des Auffängerstroms in Abhängigkeit zur Beschleunigungsspannung dar. Diese wird langsam von 0V bis auf 40V erhöht.

Beobachtung und Ergebnisse

Abb. 4: Leuchterscheinungen bei Neon

In der Quecksilberröhre selbst entstehen mit steigender Beschleunigungsspannung Leuchterscheinungen. Diese sind scheibenförmig und parallel zum Anodengitter. Je höher die Spannung zwischen Anode und Kathode wird, desto mehr Scheiben sind zu erkennen. Im Verlauf der Messung „wandern“ sie immer weiter Richtung Kathode und bei zu großer Spannung tritt an ihre Stelle eine vollständige Ausleuchtung des Zwischenraums.
Betrachtet man den Graphen, der vom CASSY-Programm gezeichnet wird, so erkennt man, dass der Auffängerstrom bei höherer Beschleunigungsspannung größer wird. In regelmäßigen Abständen (4,9V) bricht die zur Anzahl der aufgefangenen Elektronen proportionale Spannung jedoch ein. So entsteht eine Kurve, die tendenziell zwar steigt, aber trotzdem lokale Maxima aufweist.

Auswertung

Abb. 5: Idealisierte Franck-Hertz-Kurve

Ein Leuchten ist offensichtlich nur dann zu beobachten, wenn Photonen entstehen. Trifft ein beschleunigtes Elektron auf ein Außenelektron eines Quecksilberatoms, so kann es passieren, dass eine Anregung stattfindet und das Außenelektron in einen energetisch höheren Zustand überführt wird. Diesen Zustand behält es aber nur kurz bei und gibt die Energie nach kürzester Zeit in Form eines Photons mit entsprechender Wellenlänge wieder ab. Die leuchtenden Scheiben in der Röhre kann man also mit diesen Photonen identifizieren.
Nun stellt sich die Frage, weshalb nur einzelne Scheiben, nicht aber ein kontinuierliches Leuchten zu sehen ist. Befindet sich ein Elektron in einem konstanten elektrischen Potential, wird es gleichmäßig beschleunigt und gewinnt damit an Energie. Zu Beginn der Messung ist höchstens eine Scheibe zu sehen. Also benötigten die aus der Heizkathode gelösten Elektronen die Strecke zwischen Kathode und dieser ersten Leuchterscheinung, um genügend Energie an die Quecksilberelektronen abgeben zu können.

Betrachten wir nun den am PC gezeichneten Graphen des Auffängerstroms in Abhängigkeit zur Beschleunigungsspannung. Ein Maximum wird dann entstehen, wenn viele Elektronen die Auffängerelektrode erreichen. Der einzige Grund nicht die eingestellte Gegenspannung überwinden zu können, ist eine vorherige Energieabgabe. Findet also eine Anregung eines Quecksilberelektrons statt, so haben die vorher beschleunigten Elektronen nicht mehr genug Energie bzw. Geschwindigkeit, um bis zur Elektrode zu gelangen.
Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass immer wenn die Kurve einbricht, viele Elektronen inelastisch zusammenstoßen. Da das aber nur bei Vielfachen von 4,9V der Fall ist, scheinen solche Stöße nur bei bestimmten Energien möglich zu sein.
Diese Erkenntnis ist die experimentelle Bestätigung diskreter Energieniveaus von Elektronen, denn wären diese stetig, müsste ein annähernd linearer Anstieg zu erkennen sein.

Hinweise

Die vorgegebenen Werte für Gegenspannung, Heizkathodenspannung und Ofentemperatur sind lediglich Richtwerte. Um ein optimales Ergebnis zu erzielen, muss man wahrscheinlich selbst ausprobieren bei welchen Einstellungen die Kurve am besten gezeichnet wird.
Bei dem Versuch ist darauf zu achten, dass man den Heizofen, nachdem dieser angeschaltet wurde, nur noch am dafür vorgesehenen Griff anfasst und auch dann nur mit Vorsicht (z.B. Schutzhandschuhe), da der Ofen eine Temperatur von 180°C erreicht.