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Franck-Hertz-Versuch

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Jakob Köbner
Franck-Hertz-Versuch
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Beschreibung Franck-Hertz-Versuch

In diesem Video wollen wir uns den Franck-Hertz-Versuch genauer ansehen, einen der wichtigsten Versuche zur Quantenphysik. Mit ihm kann gezeigt werden, dass Atome - genauer gesagt, die Elektronen in der Atomhülle - nur ganz bestimmte Energiewerte aufnehmen können, nämlich genau die, die sie nach dem Bohrschen Atommodell auf eine höhere Bahn heben. Dabei gehen wir ausführlich auf Aufbau und Durchführung des Versuchs ein. Danach erklären wir dir, warum diese Ergebnisse das Bohrsche Atommodell beweisen.

Transkript Franck-Hertz-Versuch

Hallo und Herzlich willkommen zu Physik mit Kalle, wir wollen uns heute aus dem Gebiet Atom- und Kernphysik mit dem Franck-Hertz-Versuch beschäftigen. Für dieses Video solltet Ihr bereits den Film zum Bohrschen Atommodell gesehen haben. Wir lernen heute: Was der Franck-Hertz-Versuch ist, was dabei genau passiert und warum dieser Versuch eigentlich so wichtig ist. Dann wollen wir mal. Der Franck-Herz-Versuch wurde ungefähr 1911 bis 1914 von den beiden Physikern James Franck und Gustav Hertz durchgeführt. Die beiden erhielten dafür auch 1925, also in Nobelpreisdimensionen relativ schnell, den Nobelpreis. Was bei diesem Experiment beobachtet wird, lässt sich eigentlich ganz einfach beschreiben. Elektronen werden in einer gasgefüllten Röhre beschleunigt, stoßen dabei mit den Gasatomen zusammen und geben Energie an diese Atome ab. Wie genau man diesen Versuch aber nun aufbaut, welche Ergebnisse er liefert und welche Schlüsse man daraus zieht, das sehen wir uns in den nächsten Kapiteln an. Der Aufbau des Versuches ist eigentlich relativ einfach. Wie gerade schon gehört, brauchen wir zunächst einmal einen gasgefüllten Kolben, im Bild blau. In diesem Kolben wollen wir Elektronen beschleunigen. Wir brauchen also eine Kathode, die Elektronen frei setzt. Und damit sie das auch tut, wird unsere Kathode mit der Heizspannung UH beheizt. Als nächstes brauchen wir ein Gitter in unserem Kolben, gekennzeichnet mit G, auf das die Elektronen von der Kathode aus mit der Beschleunigungsspannung UB hinbeschleunigt werden. Die Beschleunigungsspannung können wir frei regeln zwischen 0 und 80 Volt. So, als letztes fehlt uns noch, Ihr habt es vielleicht schon erraten, eine Anode, dort wo die Elektronen ankommen. Wir wollen es aber in diesem fall den Elektronen nicht zu einfach machen und legen zwischen Gitter und Anode eine Gegenspannung UG von 1,5 Volt an, die die Elektronen bremsen soll. Und das wars auch eigentlich schon. Damit wir jetzt noch sehen können, was genau passiert, installieren wir noch 2 Messgeräte. Und zwar einen Spannungsmesser, mit dem wir UB messen und einen Strommesser, der uns anzeigt, wieviel Strom zwischen Kathode und Anode fließt. Das einzige, was wir nun noch nicht wissen ist, mit welchem Gas unser Kolben gefüllt ist. Normalerweise benutzt man hierfür Quecksilberdampf, aber auch Neon ist eine gute Variante. Warum erkläre ich Euch nachher. Erst einmal gehen wir davon aus, dass unser Kolben mit Quecksilberdampf gefüllt ist. So, jetzt wissen wir, wie man den Versuch aufbaut, nun wollen wir uns ansehen, wie man ihn durchführt. Das ist zum Glück nicht besonders schwierig. Wir machen einfach folgendes: Wir erhöhen sehr langsam die Beschleunigungsspannung UB und schauen immer nach, welcher Strom zwischen K und A fließt und schreiben dann das Wertepaar, also Beschleunigungsspannung und dazugehörend der Strom I auf. Dadurch ergibt sich ungefähr folgendes Diagramm. Das ist jetzt ein wenig verwunderlich, denn eigentlich würden wir annehmen, dass der Strom linear mit der Spannung steigt. Es scheint aber bestimmte Werte zu geben, an denen plötzlich der Strom stark sinkt, um dann wieder zu steigen und nach der gleichen Distanz, Ihr könnt es im Bild sehen, 4,9 Volt, plötzlich wieder absinkt. Wir schreiben also auf, das Ergebnis ist, der Strom steigt nicht linear mit der Spannung an, sondern fällt periodisch immer wieder ab. Der Grund dafür ist, sobald die Elektronen durch die Beschleunigungsspannung eine bestimmte kinetische Energie E erreicht haben, können sie diese an die Gasatome abgeben. Und dann sind sie so langsam, dass sie unsere kleine Gegenspannung von 1,5 Volt nicht mehr überwinden können. Deshalb der plötzliche Stromabfall. Fülle ich meinen Kolben nun statt mit Quecksilberdampf, mit Neon, dann kann ich die Stellen, an denen die Elektronen die Energie abgeben, sogar sehen. Dann sehe ich in meinem Kolben nämlich ungefähr so was. Was dieses Ergebnis nun bedeutet, das sehen wir uns im letzten Kapitel an. Erinnert Ihr Euch an das Bohrsche Atommodell? Das besagte, dass ein Atom nicht beliebige Energiewerte, sondern nur ganz bestimmte, diskrete, Energiewerte aufnehmen kann. Nämlich die, die benötigt werden, um ein Elektron auf eine höhere Bahn zu heben. Und genau das beobachten wir beim Franck-Hertz-Versuch. Dieser Versuch belegt also das Bohrsche Atommodell. Im Versuch mit Neon sieht man es besonders schön. Die Elektronen werden beschleunigt, und sobald die Spannung eine so große kinetische Energie erzeugt, dass die Anregungsenergie für das Atom erreicht ist, springt das Elektron im Neon auf eine höhere Bahn. Nun ist der Energieunterschied zwischen diesen beiden Bahnen im sichtbaren Bereich. Das heißt, wenn das Elektron nun wieder herunterspringt, setzt das Neon ein rotes Leuchten frei. Das sind die roten Streifen, die wir gerade eben eingezeichnet hatten. Ihr seht also, man braucht für diesen Versuch kaum komplizierte Geräte. Einen gasgefüllten Kolben, ein paar Spannungsquellen und ein Strom- und Spannungsmessgerät. Da er außerdem leicht aufzubauen und schnell durchzuführen ist und einigermaßen verständliche Ergebnisse liefert, die die Quantentheorie beweisen, ist der Franck-Hertz-Versuch auch heute noch einer der beliebtesten Schul- und Demonstrationsversuche. Wir wollen noch einmal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Beim Franck-Hertz-Versuch werden Elektronen in einem mit gasgefülltem Kolben auf ein Gitter zu beschleunigt. Erreicht die kinetische Energie der Elektronen die Anregungsenergie des Gases, so können die Elektronen nach dem Bohrschen Atommodell durch Stöße Energie an die Gasatome abgeben. Im Versuch führt das dazu, dass die Elektronen dann die kleine Gegenspannung hinter dem Gitter nicht mehr überwinden können und ein starker Stromabfall gemessen wird. Wir haben gesehen, der Franck-Hertz-Versuch belegt das Bohrsche Atommodell. Und ist damit einer der einfachsten und zugleich wichtigsten Versuche der Quantentheorie. So, das wars schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte Euch helfen. Vielen dank fürs Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal, Euer Kalle.

5 Kommentare

5 Kommentare
  1. @Karsten Schedemann,
    Alles klar! Vielen Dank für die Antwort; die Videos sind sehr hilfreich, gerade wenn man über Schulisches hinaus möchte.

    Von Greta B., vor mehr als 5 Jahren
  2. @Greta B,

    die Polung der Heizspannung, kann vernachlässigt werden. Die Glühkathode ist zumeist eine Glühwendel, diese ist im Bild senkrecht zum Beschleunigungsweg orientiert. Daher stören sich die Magnetfelder kaum. Daher ist die Polung nicht wichtig, wichtig wäre nur das die Spannung hoch genug ist, damit freie Ladungsträger erzeugt werden.

    Von Karsten S., vor mehr als 5 Jahren
  3. Aber ist die eingezeichnete Beschleunigungsspannung der Heizspannung nicht auch entgegengesetzt? Müsste die Quelle nicht genau anders herum gepolt sein? So wie sie eingezeichnet ist, verstärkt es dich nur das Gegenfeld.

    Von Greta B., vor mehr als 5 Jahren
  4. Klasse video

    Von Mandana Sarram, vor mehr als 5 Jahren
  5. Super erklärt ! Vielen Dank :)

    Von Eva 1196, vor mehr als 6 Jahren

Franck-Hertz-Versuch Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Franck-Hertz-Versuch kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, wie der Franck-Hertz-Versuch aufgebaut ist.

    Tipps

    Mit einem Voltmeter $V$ und einem Amperemeter $A$ können während des Versuches die Spannungen und elektrischen Ströme gemessen werden.

    Eine Gegenspannung stellt sicher, dass nur Elektronen, die einen bestimmten Energiebetrag haben, durch das Gitter hindurch treten.

    Lösung

    Der Franck-Hertz-Versuch besteht im Wesentlichen aus fünf Bauteilen.

    An der Kathode werden mit einer Heizspannung zunächst freie Elektronen erzeugt. Diese befinden sich nun frei beweglich im Glaskolben. Im Kolben ist ein Gitter angebracht. Da zwischen Kathode und Gitter die Beschleunigungsspannung $U_B$ angebracht ist, werden die Elektronen auf das Gitter hin beschleunigt.

    Auf der anderen Seite des Kolbens befindet sich hinter dem Gitter die Anode. An dieser treffen die freien Elektronen auf. Weiterhin liegt zwischen Anode und Gitter die Gegenspannung $ U_G$ an. Diese stellt sicher, dass nur Elektronen, die einen bestimmten Energiebetrag haben, durch das Gitter hindurch treten.

    Mit einem Voltmeter $V$ und einem Amperemeter $A$ können während des Versuches die Spannungen und elektrischen Ströme gemessen werden.

    Diese stellen auch die Grundlage der Interpretation dar.

  • Beschreibe den Versuchsablauf.

    Tipps

    Zwischen Anode und Kathode bewegen sich also Ladungen in einer bestimmten Zeit. Es fließt ein elektrischer Strom.

    Ein Amperemeter misst den Strom.

    Wertepaare aus $I$ über $U$ stellen die Grundlage der Interpretation dar.

    Lösung

    Bei der Durchführung des Franck-Hertz-Versuches werden zunächst über eine Heizspannung $U_H$ freie Elektronen erzeugt.

    Diese werden dann durch die Beschleunigungsspannung $U_B$ durch das Gitter hindurch auf die Anode hin beschleunigt.

    Da zwischen Gitter und Anode eine Gegenspannung $U_G$ angelegt ist, treten nur ausreichend energiereiche Elektronen durch das Gitter.

    Zwischen Anode und Kathode bewegen sich also Ladungen in einer bestimmten Zeit. Es fließt ein elektrischer Strom. Dieser ist über einen Amperemeter ablesbar. Dabei variiert die Stärke des Stromes in Anhängigkeit von der Beschleunigungsspannung $U_B$.

    So können wir jedem Spannungswert $U_B$ einen Strom $I$ zuordnen. Mit Hilfe dieser Wertepaare lässt sich schlussendlich ein $I(U)$-Diagramm aufstellen.

    Dieses stellt nun die Grundlage der Interpretation des Versuches dar.

  • Zeige den Verlauf des Stroms über die Spannung.

    Tipps

    Die Amplitude steigt stetig.

    Die Funktion verläuft nicht linear.

    Nur Elektronen mit einem bestimmen Energiebetrag passieren das Gitter und die Gegenspannung $U_G$.

    Je mehr Elektronen das Gitter passieren, desto größer ist der elektrische Strom.

    Lösung

    Der Verlauf des Stroms über der Beschleunigungsspannung stellt sich als eine Schwingung dar, deren Amplitude stetig steigt.

    Das ist damit zu erklären, dass die Gasatome im Glaskolben nur diskrete, also bestimmte Energiewerte annehmen können.

    Gibt ein Elektron also einen bestimmen Betrag an Energie an ein Gasatom ab, so verliert dieses genau diesen Betrag an Energie und ist nicht energiereich genug, um die Gegenspannung zu überwinden und die Anode zu erreichen.

    Dadurch fließt der Strom unregelmäßig und der Verlauf der Funktion in einer Wellenform ist hinreichend erklärt.

    Doch warum steigt die Amplitude der Schwingung stetig an ? Das ist damit zu erklären, dass die Elektronen immer höhere Energiebeträge erhalten, je größer die angelegte Beschleunigungsspannung $U_B$ ist.

    Man könnte auch sagen, die freien Elektronen haben ein größeres Potential, da das Feld, in welchem diese beschleunigt werden, mit der Beschleunigungsspannung größer wird.

    Somit passieren mehr Elektronen das Gitter und der Strom zwischen Kathode und Anode wird größer.

  • Erkläre das Bohr'sche Atommodell.

    Tipps

    Elektronen nehmen im Potentialfeld des Atomkerns nur diskrete Energiebeträge an.

    Ein Elektron kann sich nicht zwischen zwei Schalten befinden.

    Der Franck-Hertz-Versuch belegt das Bohr'sche Atommodell.

    Lösung

    Wie du siehst, sind die Elektronen im Atommodell von Niels Bohr stets in bestimmten Entfernungen vom Atomkern zu finden.

    Entweder, sie befinden sich auf dem ersten Ring, der ersten Schale, oder auf dem zweiten.

    Dabei finden sich Elektronen nicht zwischen den Schalen.

    Da Elektronen aufgrund ihrer negativen Ladung vom Atomkern angezogen werden, sich also im Feld der Protonen des Kerns befinden, müssen diese eine bestimmte Energie tragen, um nicht vom Kern verschluckt zu werden.

    Dabei ist die Energie umso größer, je weiter ein Elektron vom Kern entfernt ist. Genauso ist ja die Energie im Schwerefeld der Erde größer, je weiter ein Körper von der Erdoberfläche entfernt ist.

    Es gibt jedoch auch einen wesentlichen Unterschied. Den kannst du dir gut vorstellen, wenn du dir Folgendes überlegst. Du musst Obst im Kühlschrank verstauen. Solange du das Obst außerhalb des Kühlschrankes in deinen Händen hochhebst oder absenkst, kannst du diesem ganz unterschiedliche Energien zuführen, denn du kannst es ja in jeder beliebigen Höhe halten
    ( $E_{pot} = mgh$).

    Wenn du das Obst nun in den Kühlschrank legst, lässt dieser nur bestimmte potentielle Energien zu. Du kannst dieses nur auf einer Ablage platzieren, aber nicht dazwischen. Es sind also nur diskrete Zustände der potentiellen Energie möglich.

    Ebenso verhalten sich auch Elektronen im Potentialfeld des Atomkerns. Diese können nur diskrete Energiebeträge besitzen. Daher befindet sich ein Elektron entweder auf der einen oder eben einer anderen Schale, aber niemals dazwischen.

    Belegt wurde das Bohr'sche Atommodell mit dem Franck-Hertz-Versuch.

  • Gib die Bedeutung des Franck-Hertz-Versuchs an.

    Tipps

    1925 erhielten Franck und Hertz den Nobelpreis für ihre Entdeckung.

    Mit dem Versuch wurde der Beweis geliefert, dass Elektronen, die von einem Atom gebunden sind, immer diskrete Energiebeträge haben müssen.

    Lösung

    Der Franck-Hertz-Versuch ist deshalb so interessant, da dieser zeigte, dass Atome nur bestimme Mengen an Energie aufnehmen können.

    Damit ist dieser als Beleg für das Bohr'sche Atommodell zu verstehen.

    Dieses besagt, dass Elektronen nur in bestimmten Energiezuständen in den Schalen der Atomhülle vorkommen.

    Zwischen den Schalen halten sich Elektronen nicht auf, sodass diese nur soviel Energie aufnehmen können, dass diese in eine höhere Schale eintreten oder weniger und in der ursprünglichen Schale verbleiben.

    Du kannst dir dieses Modell in etwa so vorstellen, also hättest du einen Sack Murmeln, die du einzeln in den Schubladen eines Schrankes verstauen sollst. Du kannst eine Murmel nur in die eine oder andere Schublade stecken, aber nicht dazwischen. Deshalb kommen nachher alle Murmeln zwar in unterschiedlichen, aber immer in einer Schublade vor.

    Genauso kommt ein Elektron nur in einer bestimmten Schale (Schublade) vor, wobei jede Schale nur Elektronen aufnimmt, die einen charakteristischen Energiebetrag aufweisen.

    Aufgrund dieser Zusammenhänge erhielten Hertz und Franck $1925$ den Nobelpreis für ihre Entdeckung.

  • Analysiere, warum der Franck-Hertz-Versuch das Bohr'sche Atommodell belegt.

    Tipps

    Die Amplitude der Schwingung steigt stetig.

    Diskrete Energiemenge bedeutet, dass einer Energie ein bestimmter Betrag zugewiesen werden kann.

    Lösung

    Die Ergebnisse aus dem Franck-Hertz-Versuch zeigen, dass Elektronen nur bestimmte diskrete Energiemengen an Atome abgeben können.

    Treffen beschleunigte Elektronen im Glaskolben auf die Gasatome, so geben diese ihre Energie ab.

    Die Funktion des Stromes in Abhängigkeit von der angelegten Spannung $U_B$ stellt sich dabei als eine Schwingung dar, wobei deren Ruhelage mit der Spannung steigt.

    Demnach können bestimmte Energiemengen vom Elektron abgegeben werden, die umso größer sind, desto größer die Spannung ist. Dabei verliert das Elektron einen bestimmen Energiebetrag, wenn es auf ein Atom trifft.

    Dadurch ist die kinetische Energie des Elektrons derart verringert, dass dieses die Anode nicht erreicht und so ein geringerer elektrischer Strom fließt.

    Die Funktion $I(U)$ kann also im Hinblick auf die Energie interpretiert werden. Da der Strom nun hin und her schwingt, muss die Energie in bestimmten Mengen abgegeben werden.

    Diese Beobachtung gilt als der Beweis für das Bohr'sche Atommodell, in dem sich Elektronen immer in bestimmten Energiezuständen in einem Atom befinden.

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