Linearer Potentialtopf und Frank-Hertz Versuch - guennet.de

PHYSICS
Lernzettel Nr. 5
- Historische Atommodelle (Thomson, Rutherford, Bohr) kurz erläutern
o Thomson:
Herausgefunden durch CRT
Thomson konnte nachweisen, dass Kathodenstrahlen aus geladenen
Teilchen bestehen und durch ein Vakuum konnte er das Verhältnis
der Ladung zur Masse bestimmen
Sein Theorem besagt, dass ein Atom aus gleichmäßig verteilter Masse und
positiver Ladung besteht in denen sich die Elektronen bewegen. Diese sind
dabei so verteilt, dass ihre potentielle Energie minimal ist. Bei Anregung
beginnen sie zu schwingen.
Desweiteren stellt er fest, dass Atome zerlegt werden können da es ihm
gelang, Elektronen aus Atomen zu „schießen“
o Rutherford:
Herausgefunden durch Goldfolienexperiment
Eine dünne Goldfolie wird mit Alpha-
Teilchen (Helium-Kerne) beschossen. Er
stellt dabei fest, dass einige Teilchen
abgelenkt werden und auf einem
Phosphoreszenzschirm woanders landen,
als er es angenommen hatte.
Nach seinem Theorem besteht das Atom aus einem
positiv geladenen Atomkern der nahezu die gesamte Masse des Atoms
beinhaltet. Des Weiteren besteht es aus einer Atomhülle, in der die
Elektronen um den Kern kreisen. Er sagte allerdings nicht aus, dass
Elektronen sich auf Kreisbahnen bewegen.
o Bohr:
Nach seinem Theorem besteht das Atom aus einem positiv geladenen,
massetragenden Kern und Elektronen die sich auf diskreten (getrennten)
Kreisbahnen bewegen und den Kern umkreisen
Das Modell erlaubte spektrale Übergänge bei denen Licht emittiert wurde –
es war allerdings nicht klar, wieso dies geschieht sondern man nahm dies nur
hin
Nachteil: chemische Verbindungen sind mit dem Modell nicht erklärbar
Als Erweiterung dient das Bohr-Sommerfeldsche Atommodell, welches
aufgrund der Heisenbergschen Unschärferealtion auch Elipsenbahnen zuließ
- Den linearen Potentialtopf mit unterschiedlich hohen Wänden als Atommodell erläutern
o Bei diesem Modell geht man zunächst davon aus, dass ein Elektron in einem langen
Körper (linearer Potentialtopf) eingeschlossen ist. Es wirken innerhalb des Topfes
keine Kräfte auf das Elektron. Die potentielle Energie ist also gleich null.
o In die Wände des Topfes, die ihn begrenzen, kann das Teilchen nicht eindringen,
weshalb die potentielle Energie dort unendlich groß ist:
© Hendrik-Jörn Günther und Stefan Pielsticker
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PHYSICS
Lernzettel Nr. 5
o Vergrößert man die Beschleunigungsspannung zwischen Glühwendel und Auffänger,
so ist festzustellen, dass die Diodenkennlinie sich einem Grenzwert annähert.
o Bei niedrigen Beschleunigungsspannungen steigt die Anzahl der registrierten
Elektronen zunächst proportional an.
o Nähern sich die aufgenommenen werte einem festen Wert immer mehr an, so wird
dieser Bereich als Sättigungsbereich bezeichnet, bei dem alle emittierten Elektronen
aufgefangen werden
o
- Den Versuch von Franck und Hertz mit Hg-Füllung beschreiben, auswerten und die Vorgänge
in der Röhre bei unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen erläutern.
o Als Versuchsumgebung dient zunächst eine Vakuum-Triode. Diese besteht aus einem
Heizdraht, von dem durch den Glühelektrischen Effekt Elektronen ausgesandt
werden. Diese werden bis zur Mitte in einem elektrischen Feld beschleunigt,
Nachdem sie diese Mittelplatte erreicht haben, werden sie durch eine
Bremsspannung abgebremst.
o Im Vergleich zur Diodenkennlinie tritt der proportionale Bereich erst später ein, da
zunächst die Gegenspannung überwunden werden muss, bevor Elektronen die
hintere Platte erreichen.
o Füllt man die Vakuum-Triode nun
mit Quecksilber und lässt dieses
durch eine Heizung verdampfen, so
erhält man beim Messen der
Stromstärke eine Kurve mit
Bergen und Tälern, die so
ausseht, wie rechts dargestellt
o Zunächst lässt sich feststellen, dass es am Anfang eine Zeitlang keinen Stromfluss
gibt. Dies liegt daran, dass erst die Bremsspannung überwunden werden muss, bevor
die Elektronen an der hinteren Metallplatte ankomme können. Es treten in diesem
Zeitraum noch keine Wechselwirkungen mit den Hg-Atomen auf, da die Energien der
Elektronen zu gering sind, die Hg-Atome anzuregen. Es kommt zum elastischen Stoß,
bei dem keine Energie übertragen wird.
o Ist nun die Bremsspannung überwunden, so gelangen Elektronen bis zur hinteren
Metallplatte, jedoch ist bei einer Beschleunigungsspannung, die nur geringfügig
größer ist als die Bremsspannung, die Beschleunigung der Elektronen zu gering, um
ihnen ausreichend Energie zuzuführen, damit sie ein Hg-Atom anregen können.
o Erst wenn die Beschleunigungsspannung groß genug ist, besitzen sie genug Energie,
ein Elektron des Hg-Atoms in ein höheres Energieniveau zu heben. Dabei geben die
kinetisch angeregten Elektronen ihre Energie ab, werden danach im elektrischen Feld
wieder beschleunigt. Dieser Vorgang lässt sich als Tal im Diagramm beobachten, da
die Elektronen meist nicht mehr über genug kinetische Energie verfügen, die
Bremsspannung zu überwinden und die hintere Latte zu erreichen geringer
Stromfluss.
© Hendrik-Jörn Günther und Stefan Pielsticker
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