Das Franck-Hertz Experiment.

Das Experiment, das Franck und Hertz im Jahr 1914 durchführten, ist eines der Schlüsselexperimente, die bei der Entwicklung der modernen Atomphysik halfen. Es hat uns gezeigt, dass die Atome Energien nur in bestimmten Portionen oder 'Quanten' aufnehmen und bestätigte so die bohrschen Postulate.
Mit Hilfe einer Simulation versuchen wir hier die wichtigsten Ergebnisse dieses Experiments zu zeigen. Wir untersuchen die Bewegung der Elektronen und ihre Stöße mit den Quecksilberatomen. Weiterhin untersuchen wir, wie der Anodenstrom I_c von der Spannung U zwischen der Kathode und dem Gitter abhängt.

Beschreibung.

In dieser Abbildung sieht man die Umrisse einer Röhre mit der das Experiment durchgeführt wird und die Quecksilberdampf unter niedrigem Druck enthält. Die Glühkathode sendet Elektronen aus, deren kinetische Energie zu Beginn praktisch 0 ist. Sie gewinnen dadurch kinetische Energie, dass sie von einer Spannung zwischen der Kathode und dem Gitter beschleunigt werden.

Auf diesem Weg stoßen sie mit den Quecksilberatomen zusammen und sie können dabei an Energie verlieren.
Elektronen, die eine kinetische Energie von 1,5 eV oder mehr haben, wenn sie das Gitter erreichen, gelangen zur Anode und tragen zum Anodenstrom I_c bei.
Elektronen, die beim Erreichen des Gitters weniger als 1,5 eV an kinetischer Energie haben, können die Gegenspannung nicht durchlaufen und die Anode erreichen, sie tragen daher auch zum Anodenstrom I_c nichts bei.

Die Stromstärke Ic zeigt mehrere Rückgänge jeweils im Abstand von etwa 4.9 eV. Der erste Rückgang stammt von den Elektronen, die ihre gesamte kinetische Energie bei einem Stoß mit einem Quecksilberatom abgegeben haben. Der zweite Rückgang stammt von den Elektronen, die ihre Energie bei zwei aufeinanderfolgenden Stößen an zwei verschiedene Quecksilberatome abgegeben haben.

Wenn ein Elektron mit einem Quecksilberatom unelastisch zusammengestoßen ist (und damit seine Energie abgegeben hat), befindet sich das Quecksilberatom nach dem Stoß in einem angeregten Zustand. Es kehrt in den Grundzustand zurück, nachdem es ein Photon einer Wellenlänge von 253,6 nm (im ultravioletten Lichtbereich) abgegeben hat. Diese Wellenlänge entspricht einer Energie von E=hf=hc/l, was etwa 4,9 eV sind.
In der Simulation wird dieser Wert mit 5 eV angeommen.

Die Energie des Photons hf=E₂-E₁ ist gleich der Differenz zwischen zwei Energieniveaus E₂ und E₁ des Quecksilberatoms. Es ist auch die Energie, die das Elektron bei seinem unelastischen Stoß an das Quecksilberatom abgibt.

In der Simulation ist die Zahl der Quecksilberatome und der Elektronen begrenzt. In einem realen Experiment ist sie viel größer. Deshalb ergeben sich bei der Stromstärke bei gleichen Spannungswerten in unterschiedlichen Experimenten Abweichungen bei der Simulation.

Aktivitäten

• Verändern Sie die Spannung zwischen der Kathode und dem Gitter zwischen 1 und 20 V und drücken Sie den Knopf Nuevo (Neu-Start). Wir empfehlen ganze Zahlen von 2, 3, 4, 5, 6.... bis 20 einzugeben.

• Die Elektronen (die schwarzen Teilchen, die sich bewegen) üben Stöße auf Quecksilber Atome aus (die ruhenden blau gezeichneten Teilchen).
  Wenn ein Elektron weniger als 5 eV Energie hat, dann ist der Stoß elastisch und es ergibt sich keine Änderung in der Energie des Elektrons.
  Wenn seine Energie über 5 eV liegt, verliert das Elektron so viel Energie, wie es an das Quecksilberatom abgibt, und es versetzt dabei das Quecksilberatom in einen angeregten Zustand (Dieses ändert in der Simulation seine Farbe von blau auf rot).

• Das Programm berechnet die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen, die an der Anode ankommen, und bestimmt daraus eine mittlere Stromstärke I_c.

• Wenn Sie eine genügend große Anzahl an Daten erfasst haben (je mehr desto besser), drücken Sie auf den Knopf Enviar (Schicken - Übertragen) um die Daten in dem Applet darunter grafisch darzustellen zu können.

• Sie können die Datenpaare: Spannung, Stromstärke, die durch ein Komma getrennt sind, auch markieren und als Text speichern um sie z.B. in einer Tabellenkalkulation wie EXCEL weiterzuverarbeiten.

Applets: © Angel Franco Garcia - Universidad del Pais Vasco, Spanien;
Darstellung mit freundlicher Genehmigung des Autors.
deutsche Version : Grüninger, Landesbildungsserver