Gebrauchsanweisung. 6750 984
Zu den eindruckvollsten Versuchen der Quantenlehre zählt zweifellos der Franck-Hertz-Versuch (1913; Nobelpreis 1926), mit den schön ausgeprägten periodischen und äquidistanten Maxima und Minima des Auffängerstromes bei Anregung der Hg-Resonanzlinie 253,7 nm. Der Versuch vermittelt den unmittelbaren Beweis für die Richtigkeit quantentheoretischer Vorstellungen.
Franck-Hertz-Rohr 6751 auf einer
Frontplatte 6753 in einem
Heizofen 6752
Eine Spannungsquelle mit 6,3 V Gleich- oder Wechselspannung (Katoden-Heizspannung) und 0 bis + 70 V Gleichspannung stetig regelbar (als Beschleunigungsspannung) z.B. Netzgleichrichter 5211
Ein Meßverstärker, Stromempfindlichkeit bis 10-11 A (NEVA 7212) mit
abgeschirmter Anschlußleitung (NEVA 7256) und Anzeigeinstrument.
Eine Gleichspannungsquelle ca. 1,5 V als Gegenspannung (Taschenlampenbatterie oder Sammler mit Spannungsteiler).
Alternativ kann der Franck-Hertz-Versuch statt mit dem Netzgleichrichter
und dem Meßverstärker auch mit dem Betriebsgerät 6756 durchgeführt
werden.
Ein Thermometer bis 200°C (NEVA 4052)
Ein Spannungsmesser 3 V- und 100 V-
Verschiedene Verbindungsleitungen.
Die Franck-Hertz-Röhre (Nr. 6751) ist eine Dreielektrodenröhre mit einer indirekt geheizten Oxydkatode, einer netzförmigen Anode und einer Auffängerelektrode. Die Elektroden sind planparallel angeordnet.
Um eine hohe Stoßwahrscheinlichkeit zu erhalten, ist der Abstand zwischen Katode und Anode groß (8mm) gegenüber der mittleren freien Weglänge in der Hg-Atmosphäre (bei 180 0C). Der Abstand zwischen Anode und Auffängerelektrode ist dagegen klein. Eine Erdungsschelle in der Höhe der Netzanode verringert durch ihre abschirmende Wirkung störende Einstreuungen.
Bei der Herstellung wird die Röhre mit einem hochaktiven Kontaktgetter versehen und auf Hochvakuum gepumpt. Das Getter ist lange Zeit wirksam, so daß beim Betrieb der Röhre keine Verschlechterung der Eigenschaften durch energieverzehrende Molekülgase eintritt.
In der Gefäßwand zwischen Anode und Auffängerelektrode befindet sich ein vakuumdicht eingeschmolzener Schutzring aus Sinterkorund, durch den Leckströme über die heiße, ionenleitende Glaswand verhindert werden. In der Röhre befindet sich ein Tropfen reinstes Quecksilber.
Für die Katodenheizung sind 6,3 V Gleich- oder Wechselspannung erforderlich. Der Heizstrom soll mindestens 0,3 A sein.
Der Heizofen besteht aus einem Stahlblechgehäuse von der Größe 240 x 160 x 140 mm3. Die Heizung des Ofens erfolgt mit einer Heizschlange, die am Boden des Ofens verlegt ist. Die Leistungsaufnahme beträgt 400 Watt. Zur Einstellung und Konstanthaltung der Ofentemperatur dient ein Bimetallschalter, der von außen an einem Drehknopf bedient werden kann. Mit Rücksicht auf den Bimetallschalter darf die Ofenheizung nur an Wechselstrom (220 V) angeschlossen werden.
Die Franck-Hertz-Röhre ist auf der Rückseite der Frontplatte so montiert, daß die ganze Röhre einschließlich der Anschlußdrähte auf konstante Temperatur kommt. (Dies ist unbedingt erforderlich, da sich die Dampfdichte des Quecksilbers stets nach der kältesten Stelle der Röhre einstellt).
Auf der Frontplatte befinden sich die keramisch isolierten Anschlußbuchsen für die Röhre. Die Auffängerelektrode ist mit einer BNC-Buchse verbunden, an der die abgeschirmte Leitung zum Meßverstärker angeschlossen wird. Das Symbol der Röhre ist auf der Frontplatte mit starken Strichen aufgezeichnet, die Anschlüsse sind mit schwachen Strichen angegeben. Der Ofen hat zwei Glasfenster, durch die die Röhre und die Heizwendel beobachtet werden können. In der Deckplatte des Ofens ist eine Bohrung zur Einführung des Thermometers, das mit einer Spannfeder festgehalten wird.
Zwischen der Anschlußbuchse für die Beschleunigungsspannung und der Anode der Röhre ist ein Begrenzungswiderstand (10 kΩ) fest eingebaut. Durch ihn ist die Röhre geschützt, falls sie bei zu hoher Spannung durchzünden sollte. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand kann bei den Messungen vernachlässigt werden, denn der Anodenstrom der Röhre ist kleiner als 5 µA. (Spannungsabfall am Schutzwiderstand 0,05 V).
Nach Lösen der sechs Rändelschrauben kann die Frontplatte mit der Röhre
abgenommen werden, so daß der Heizofen auch für andere Zwecke verwendet
werden kann (z.B. für den Natrium-Fluoreszenz-Versuch).
Beim Franck-Hertz-Versuch werden die durch Zusammenstöße von Elektronen mit Quecksilberatomen hervorgerufenen Energieumsetzungen beobachtet. In der Röhre befindet sich etwas Quecksilber, das beim Erwärmen zum Teil verdampft. Bei 180 °C wird ein Hg-Dampfdruck von ca. 13 mbar erreicht. Aus der geheizten Oxydkatode treten Elektronen aus. Mit steigender Beschleunigungsspannung (Ub) nimmt die kinetische Energie der Elektronen zu, so daß sie durch das Anodengitter durchfliegen und gegen eine Spannung von 1,5 V zur Auffängerelektrode gelangen. Von der Auffängerelektrode fließt ein Strom in der Größenordnung von 10-10 A zur Anode, der am angezeigt wird.
Die Zusammenstöße der Elektronen mit den Hg-Atomen erfolgen zunächst elastisch und ohne merkliche Energieabgabe. Bei ausreichender Beschleunigungsspannung ist die kinetische Energie der Elektronen groß genug, um kurz vor der netzförmigen Anode die Hg-Atome anzuregen. Dabei verlieren sie ihre Energie und können gegen die Bremsspannung (- 1,5 V) mehr zur Auffängerelektrode gelangen.Der am Meßverstärker angezeigte Strom wird dadurch kleiner. - Bei weiterer Erhöhung der Beschleunigungsspannung rückt die Stoßzone immer mehr zur Katode, die beim Stoß abgebremsten Elektronen werden wieder beschleunigt und gelangen auch wieder zur Auffänger elektrode, bis sie erneut ihre kinetische Energie bei einem Zusammenstoß.
mit einem Hg-Atom verlieren. Die Energieabgabe tritt bei zunehmender Spannung immer wieder auf. In Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung erhält man die Stromkurve nach Abb. 4 und 5. Die Stromminima treten in einem Abstand von 4,9 V auf. Daraus ergibt sich, daß die Hg-Atome bei 4,9 eV angeregt werden.
Die Frequenz ist dann:
ν = E / h = 4,9 eV / 4,133 • 10-15 eVs = 1,18 • 1015 Hz
und die Wellenlänge λ = 253,7 nm.
Diese UV-Strahlung haben Franck und Hertz mit einem Quarzspektrografen nachgewiesen.
Anmerkung : Zwischen der Katode und der Anode der Röhre besteht ein Kontaktpotential von ca. 2 V. Deshalb tritt das erste Stromminimum erst bei etwa
7 V auf.
Der Heizofen wird mit dem Netzkabel an eine Schuko-Steckdose 220 V Wechselspannung angeschlossen. Der Bimetallschalter wird auf die gewünschte Temperatur eingestellt. An dem von oben bis zur Mitte des Ofens eingeführten Thermometer kann die Temperatur abgelesen werden. Nach einer Anheizzeit von 10...15 min wird die Endtemperatur (z.B. 170 °C) erreicht. Die Anschlüsse zu den Spannungsquellen und zum Meßverstärker sind nach der und den Angaben auf der Frontplatte herzustellen. Für die Verbindung Auffängerelektrode – Meßverstärker muß eine abgeschirmte Leitung (7256 bzw. 7254) verwendet werden. Auf richtige Polung der Be schleunigungsspannung und der Gegenspannung ist zu achten. Der negative Pol der Beschleunigungsspannung muß mit der Katodenanschlußbuchse K (unten rechts) verbunden sein. Alle Betriebsspannungen (Beschleunigungsspannung, Katodenheizspannung und Gegenspannung) dürfen keine leitende Verbindung mit Erde bzw. Masse haben, da die Versuchsanordnung über dem Meßverstärker bereits an Erde liegt.
Die indirekt geheizte Katode benötigt nach dem Anlegen der Heizspannung eine Anheizzeit von ca. 1 1/2 min. Danach wird die Beschleunigungsspannung von 0 V ausgehend langsam erhöht. Von der Auffängerelektrode fließt dann ein Strom zur Anode, der am Meßverstärker angezeigt wird. Dieser Strom liegt in der Größenordnung von 10-10 A. Die Stromempfindlichkeit am ist entsprechend einzustellen. Die Auffängerelektrode ist negativ gegenüber der Anode; auf richtige Polung des Anzeigeinstruments am Meßverstärker ist zu achten.
Der Auffängerstrom weist in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung periodisch wiederkehrende und äquidistante Maxima und Minima auf, wobei die Minima in einem Abstand von 4,9 V auftreten. In der Röhre besteht zwischen Katode und Anode ein Kontaktpotential von ca. 2 V, weshalb das erste Minimum bei etwa 7 V liegt.
Der Stromverlauf in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung ist in den Abb. 4 und 5 wiedergegeben. Die Kurvenform ist sehr wesentlich von der Ofentemperatur abhängig. Bei niederer Temperatur (ca. 150 °C) sind die ersten Minima stärker ausgeprägt, die Kurve steigt aber rasch an (Abb. 4). Die Röhre zündet dabei etwa bei 30 V. Mit zunehmender Ofentemperatur er- hält man immer mehr Minima und die Kurve verläuft in einem engen Strombereich. Das erste Minimum ist dann aber weniger stark ausgeprägt, oder es ist nicht mehr zu erkennen.
Der Emissionsstrom in der Röhre und damit der Auffängerstrom werden durch die Katodentemperatur beeinflußt. Bei zu kleinem Strom kann die Katoden-Heizspannung erhöht werden (z.B. auf 8 V). Der Heizstrom muß dann mit einem Schiebe- oder Drehwiderstand (ca. 10Ω ) so eingestellt werden, daß der Auffängerstrom bei 50 V Beschleunigungsspannung in der Größenordnung von 10-10 A liegt. Der Widerstand ist in die Zuleitung zur linken Heizanschlußbuchse (H) zu legen. Die Heizspannung für die Katode kann auch einem Sammler entnommen werden.
Ein am Anodenanschluß der Röhre liegender Begrenzungswiderstand (10 kΩ ) verhindert eine Überlastung der Röhre. Auch wenn in der Röhre infolge zu hoher Spannung eine Entladung durch Stoßionisation auftritt, ist die Röhre nicht gefährdet. Somit besteht die Möglichkeit, die Leuchterscheinung der Entladung mit einem Spektroskop zu betrachten und nach dem Spektrum festzustellen, daß es sich bei dem Füllgas um Hg-Dampf handelt.