Der Frank Hertz Versuchund Röntgen-Emission

Nachweis der Energieaufnahme in diskreten Schritten

Inhalt

• Der Frank-Hertz Versuch: Anregung der Atome in diskreten Energie-Schritten– Aufbau– Versuch

• Quecksilber-Dampf oder Metall?

Aufbau der Frank-Hertz Röhre

10

0

-10

nA

0

V

9

1,5 V Gegen-spannung

Regelbare Gitter-spannung

Kathode, Anoden-Gitter und Beschleunigungs-Spannung

10

0

-10

nA

0

V

9

1,5 V Gegen-spannung

Regelbare Gitter-spannung

Die Gitterspannung beschleunigt die von der Glühkathode emittierten Elektronen

Auffänger-Elektrode

10

0

-10

nA

0

V

9

1,5 V Gegen-spannung

Regelbare Gitter-spannung

Die Elektronen fliegen durch das Gitter und treffen auf die Auffänger-Elektrode

Auffänger-Elektrode und Gegenspannung

10

0

-10

nA

0

V

9

1,5 V Gegen-spannung

Regelbare Gitter-spannung

Eine Gegenspannung von 1,5 V bremst die Elektronen vor der Auffänger-Elektrode

3 V3 V

Elastischer Stoß mit Hg-Atomen

10

0

-10

nA

0

V

9

1,5 V Gegen-spannung

Regelbare Gitter-spannung

Alle Stöße der Elektronen mit Hg Atomen sind elastisch – es geht keine Energie verloren

3 V3 V

Inelastischer Stoß mit Hg-Atomen

10

0

-10

nA

0

V

9

1,5 V Gegen-spannung

Regelbare Gitter-spannung

Hg Atome werden bei 6,5 eV angeregt: Inelastische Stöße, den Elektronen geht Energie verloren

3 V6,5 V

Ein inelastischer Stoß mit Hg-Atomen

10

0

-10

nA

0

V

9

1,5 V Gegen-spannung

Regelbare Gitter-spannung

Trotz inelastischer Stöße liegt die 10 eV Energie der Elektronen über der Gegenspannung

3 V10 V

Zwei inelastische Stöße mit Hg-Atomen

10

0

-10

nA

0

V

9

1,5 V Gegen-spannung

Regelbare Gitter-spannung

Die Energie 13 eV genügt für zwei inelastische Stöße

3 V13 V

Messkurve im Frank-Hertz-Versuch

Aus der „Versuchsanleitung zum Physikalischen Praktikum“

Einheit

1eVEnergie-erhaltung,

mit

1nmWellenlänge λ in nm, U in Volt

Umrechnung der Wellenlänge zu Energie in eV

fhUe

cc

hUe

V1240

UUe

ch

Bei Anregung mit 6,5 eV wird Strahlung mit λ = 190 nm emittiert

Zum Aufbau von Hg: Das Periodensystem der Elemente

•Link zum Periodensystem: http://www.chemicool.com/

Aufbau des Hg Atoms

• Electron configuration: [Xe] 4f14 5d10 6s2

• Die im Atom auf den Schalen dicht gepackten Elektronen bilden ein System „gekoppelter Oszillatoren“: es bilden sich Eigenschwingungen mit charakteristischen Symmetrie-Eigenschaften, den Orbital-Formen

• Wie beim Doppelpendel unterscheiden sich die Eigenschwingungen des Systems nur wenig voneinander – – Folge: Die kleine Anregungsenergie auf einer Schale

mit n=6

Haupt-quantenzahl

Drehimpuls- oder Nebenquantenzahl

Orientie-rungs-Quanten-zahl

Max. Zahl der Zustände

Form derOrbitale

N SchaleSchale, Orbital

TypSpin

1 K 0 s 0 2

2 L

0 s 0 2

1 p

-1

60

1

Beispiel: Orbitale im Stickstoff (El. Config. [He] 2s2 2p3 )

1N0 l lml

Neon (El. Conf.: [He] 2s2 2p6 )

In der Valenzschale (n=2, „L-Schale“) von Stickstoff ist das Niveau m=1 unbesetzt, m=0 enthält nur ein Elektron

Anregung des Hg Atoms durch Elektronen-Stoß mit 6,5 eV

n m

Anregung 1 2

ca. 10-8 s 1 2

Emission λ=191 nm

E1

E2 = E1 + 6,5 eV

Für das schwere Quecksilber mit Z=80 ist das Bohr Modell unzureichend, weil die Kopplung der Elektronen untereinander zu neuen Energie-Zuständen führt. Das Bild zeigt qualitativ die Anregung auf der äußersten Schale

Verbreiterung der Emissionslinien von Hg-Gas durch Kopplung der Atome bei Druck-Erhöhung

Kopplung durch Druck erzeugt neben den Linie der freien Atome neue Zustände mit benachbarten Frequenzen

Zu wenig Stoß-Anregung bei zu niederem

Druck

5 10-6 atm 0,5 atm 1 atm

10 atm 50 atm 200 atm

Linienverbreiterung durch starke

Kopplung zwischen den Elektronen während des Übergangs

Quelle: http://www.lti.uni-karlsruhe.de/rd_download/Plasmastrahlungsquellen_20071207.pdf

Zusammenfassung

• Der Frank-Hertz Versuch zeigt die Anregung der Atome in diskreten Energie-Schritten

• Quecksilber-Dampf ist erforderlich, um auf der äußersten Schale einen Übergang mit definierter Energie zu beobachten – Bei dichter Packung verbreitern sich die

Energie-Niveaus bis zum Kontinuum im Metall

Formel-zeichen

Wert SI Einheit Anmerkung

e 1,60 10-19 1 C Elementarladung

6,626 10-34 1 JsPlancksches Wirkungsquantum

me 9,11 10-31 1 kgMasse des Elektrons

RH·c 3,29·1015 1HzRydberg-Konstante

Konstanten

,

• Link zum Periodensystem: http://www.chemicool.com/• Link zu Tabellen der Chemie: http://webbook.nist.gov/chemistry/