Experiment: Franck-Hertz-Experiment an Quecksilber
(230 V, 50/60 Hz)

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Beschreibung
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Themenschwerpunkt:_..

• Aufzeichnung und Auswertung der Franck-Hertz-Kurve an Quecksilber
• Bestimmung des Abstandes ΔU der Strommaxima oder der Stromminima.
• Vergleich des Spannungsabstandes mit der Anregungsenergie der Quecksilber-Atome.

Experimentbeschreibung:_..

Beim Franck-Hertz-Experiment an Quecksilber beobachtet man die Energieabgabe von Elektronen durch inelastischen Stoß beim Durchgang durch Quecksilberdampf. Die Energieabgabe erfolgt stufenweise, da durch den Stoß ein Energieübergang im Quecksilber-Atom angeregt wird. Das Experiment liefert somit eine Bestätigung des Bohr’schen Atommodells und die darin beschriebenen diskreten Energieniveaus in Atomen.

Beobachtung und Interpretation:_..

In einem evakuierten Glasrohr sind hintereinander eine geheizte Kathode C, ein Gitter G und eine Auffängerelektrode A angeordnet. Aus der Kathode treten Elektronen aus und werden durch eine Spannung U zum Gitter beschleunigt. Sie gelangen durch das Gitter hindurch zum Auffänger und tragen zum Auffängerstrom I bei, wenn ihre kinetische Energie zur Überwindung der Gegenspannung U_GA zwischen Gitter und Auffänger ausreicht. Zusätzlich befindet sich ein Quecksilbertropfen im Glasrohr, der auf einen Dampfdruck von etwa 15 hPa erwärmt wird.
Mit zunehmender Spannung U steigt der Auffängerstrom I zunächst an, da immer mehr Elektronen durch das wachsende elektrische Feld aus der Raumladungswolke um die Kathode abgesaugt werden. Bei einem bestimmten Wert U = U₁ jedoch erreichen die Elektronen kurz vor dem Gitter ausreichende kinetische Energie, um durch inelastischen Stoß die zur Anregung eines Quecksilber-Atoms erforderliche Energie abzugeben. Der Auffängerstrom fällt bis fast auf Null ab, da die Elektronen nach einem Stoß die Gegenspannung zum Auffänger nicht mehr überwinden können.
Mit weiter steigender Spannung erreichen die Elektronen die zur Stoßanregung eines Quecksilber-Atoms erforderliche Energie immer weiter vor dem Gitter. Nach dem Stoß werden sie erneut beschleunigt und erhalten genügend kinetische Energie, um zum Auffänger zu gelangen. Der Auffängerstrom nimmt also wieder zu.
Bei noch größerer Spannung U = U₂ nehmen die Elektronen nach dem ersten Stoß ein zweites Mal so viel Energie auf, dass sie ein zweites Quecksilber-Atom anregen können. Der Auffängerstrom fällt bei dieser Spannung ebenfalls drastisch ab, um mit steigender Spannung wieder anzusteigen, bis er schließlich ein drittes Mal und bei noch höheren Spannungen weitere Male drastisch abnimmt.