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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/