Franck-Hertz Versuch < Physik < Naturwiss. < Vorhilfe
|
| Aufgabe | 1) Gibt es eine obere Grenze der gemessenen Stromstärke an der Anode? Gibt es vielleicht sogar einen generellen Abfall der Maxima/Minima?
2) Haben die Elektronen nach dem Auftreffen auf die Anode alle die gleiche Energie, egal wann und mit welcher kinetischen Energie sie zuvor unterwegs waren?
Wird die Stomstärke hier also quantitativ (unabhängig von der kin. Energie der Elektronen beim auftreffen) oder qualitativ (abhängig von der kin. Energie) gemessen? |
Hallo!
Ich habe 2 Verständnisfragen zum Franck-Hertz Versuch und ich hoffe ihr könnt mir helfen:
Zu 1) Hierzu habe ich mir folgendes gedacht:
Der generelle Anstieg der Maxima im Stromstärke-Beschleunigungsspannung-Diagramm kommt ja dadurch zu Stande, dass um die Glühkatode eine Elektronenwolke entsteht. Die entsteht dadurch, dass pro Zeiteinheit weniger Elektronen durch die Beschleunigungsspannung von ihr abgezogen werden, als ausgelöst werden. Wenn nun die Beschleunigungsspannung steigt, werden ja immer mehr Elektronen pro Zeiteinheit aus der Elektronenwolke abgezogen. Irgendwann kann es also passieren, dass mehr Elektronen (pro Zeiteinheit) abgelöst werden, als von der Glühkatode emittiert werden (hat schließlich konstante Heizspannung). Dann müsste sich ja irgendwann diese Wolke aufgelöst haben, was dazu führen würde, dass der Anstieg der Maxima abflacht. Im Endeffekt müssten die Maxima doch eigentlich sogar sinken, wenn irgendwann nur noch so viele Elektronen beschleunigt werden können, wie aus der Glühkatode pro Zeiteinheit ausgelöst werden. Ist das so richtig oder habe ich mich da total verfranzt!?
Zu 2) Hier denke ich, dass wenn die Elektronen auf die Anode treffen (im Prinzip ja auch schon im Gegenfeld) durch die negative Beschleunigung Bremsstrahlung entstehen müsste. Sie geben also kinetische Energie ab. Jedoch sind die Elektronen ja vorher unterschiedlich schnell. Ich weiß leider nicht in wiefern die Bremsstrahlung von der kinetischen Energie abhängt, die das Elektron vorher hat, würde aber vermuten, dass ein Elektron mehr Energie in Bremsstrahlung abgibt, wenn es zuvor auch mehr kinetische Energie hat. Somit müssten die Elektronen danach alle die gleiche kinetische Energie haben, wenn sie durch das Amperemeter fließen.
Allerdings hat jemand in meinem Kurs erwähnt, dass die Elektronen nach dem Auftreffen auf die Anode gar keine kin. Energie haben, weil sie ihre gesamte kin. Energie bei der Bremsstrahlung abgeben. Das kann meiner Meinung aber doch gar nicht stimmen, weil die Elektronen bei der Röntgenstrahlung doch auch, nachdem sie Bremsstrahlung ausgesendet haben, noch mit ihrer restlichen kin. Energie die Atome in der Anode anregen können, die dann die charakteristische Strahlung hervorrufen.
Wenn der Leuchtstreifen dann weiter vom Gitter weg wandert, ohne, dass ein zweiter Stoß geschieht, nehmen die Elektronen danach ja wieder mehr kin. Energie auf. Wenn sie dann durch das Amperemeter laufen: Wird dann pro Elektron die gleiche Stromstärke gezählt, wie wenn das Elektron gerade genug Energie hatte, um das Gegenfeld zu überwinden? *grübel*
Ich habe jetzt leider eine ganze Menge geschrieben zu den 2 "kurzen" Fragen, also schonmal danke an jeden der sich das hier überhaupt durchgelesen hat.
Ich hoffe ihr könnt mir bei meinem Problem weiterhelfen, denn ich glaube, dass der Versuch bei und im Abitur dran kommen könnte.
Wenn ich meine Gedanken zu Wirr aufgeschrieben habe, fragt bitte einfach nochmal nach wie ich das genau meine. Ist ja leider nicht alles ganz einfach zu erklären  .
Vielen Dank und liebe Grüße
newton-man
PS:Ich habe diese Frage in keinem Forum auf anderen Internetseiten gestellt.
|
|
| |
|
| Status: |
(Antwort) fertig  | | Datum: | 19:58 Mi 28.02.2007 | | Autor: | Kroni |
Hi,
ich würde deine erste Argumentation so anfangen:
Durch die Glühemission, die ja an der Glühkathode vorliegt, sind IMMER freie Elektronen vorhanden, d.h. deine Argumentation über "nicht genügend freie Elektronen, die abgezogen werden könnten etc" halte ich für unnötig.
Die Sache ist doch die:
Je höher die Beschleunigungsspannung ist, desto größer wird die kinetische Energie der Elektronen.
Je mehr Energie sie haben, desto öfter können sie ein (ich denke Quecksilbergas war es) Atom des Gases anregen.
Nun kennst du sicherlich die Kurve, die die Beziehung zwischen Beschleunigugnsspannung und Stromstärke kennzeichnet, die bei ca x* 4,x V abfällt.
Das liegt ja daran, weil dort die meisten Elektronen ein Atom anregen, und dabei kinetische Energie verlieren, und dann nicht mehr gegen die Gegenspannung anlaufen können.
Gut...Nun sieht man aber: bei z.B. 4,x V Beschleunigungsspannung fällt die Stromstärke nicht mehr auf 0 ab, da es imme rnoch einige Elektronen gibt, die einfach so durch das Gas wandern, ohne ein Atom anzuregen.
Bei 2*4,x V ist die Stromstärke zwar wieder abgefallen, allerdings ist sie immer noch höher, als die bei 4,x V, da ja auch hier einige Atome z.B. nur einmal ein Atom anregen oder keinmal etc.
Nun gut, das ganze weitergedacht, könnte man sagen, dass die Stromstärke immer weiter ansteigt.
Dies tut sie aber nicht, da man bei ener Beschleunigugspannung von ca. 2,5 kV 1/10 der Lichtgeschwindigkeit erreicht hat, und die Geschwindigkeitszunahme der Elektronen abnimmt.
Da I=Q/t also Ladung pro Zeit, kann man dann folgendes sagen:
Da sich die Geschwindigkeit der schnellsten Elektronen immer weniger ändert, obwohl ich die Beschleunigungsspannung "hochschraube", wird sich hinterher die Stromstärke nicht mehr so stark ändern, da die Elektronen nicht mehr schneller ankommen, d.h. die Anzahl der Elektronen pro Zeit bleibt irgendwann stehen.
Gut...noch eine Sache: Wenn die Beschleunigungsspannung immer weiter erhöht wird, so sind irgendwann relativ viele Atome angeregt. Dies passiert durch relativ wenige Elektronen, da ein Elektron dann ja ziemlich viele Atome anregen kann.
Unter der Annahme, dass ein angeregtes Atom nicht noch einmal angeregt werden kann, fliegen alle anderen Elektronen einfach so zur Anode durch. D.h. die Stromstärke dürfte bei ziemlich großen Beschleunigungsspannungen rapide ansteigen, jedoch gibt es einen Maximalwert.
Zu Aufgabe 2:
Ich behaupte, die Stromstärke ist abhängig von der kinetischen Energie der Elektronen.
Warum dürftest du mitunter unter den ersten Sätzen, die ich geschrieben habe, erfahren.
Slaín,
Kroni
|
|
|
| |
|
Vielen, vielen Dank für Deine ausführliche Antwort.
Ich hoffe ich habe es jetzt richtig verstanden, bin mir aber nicht ganz sicher und versuche das deswegen am Besten nochmal selber zusammen zufassen.
Also zu 1)...die Maxima steigen im Stromstärke-Beschleunigungs-Diagramm, weil mit höherer Beschleunigungsspannung immer mehr Elektronen pro Zeiteinheit von der Katode abgesaugt werden. Die Stromstärke steigt aber nicht unendlich, sondern es gibt eine obere Grenze der Maxima/Minima. Diese Grenze kommt aber nicht zustande, weil die Elektronen irgendwann schneller von der Beschleunigungsspannung aus der Elektronenwolke um die Glühkatode abgesaugt werden, als neue emittiert werden und somit irgendwann nicht mehr genügend von ihnen für einen weiteren Anstieg vorhanden sind. Sie flacht dadurch ab, dass 1/10 der Lichtgeschwindigkeit (von den Elektronen) erreicht wird und dadurch die Geschwindigkeitszunahme der Elektronen abnimmt. Irgendwann ist deswegen die kinetische Energie der Elektronen, die am Amperemeter gemessen werden konstant. Außerdem ist die Steigung des Graphen (bei hoher Beschleunigungsspannung) größer, weil nicht genügend anregbare Atome vorhanden sind und somit auch Elektronen, die anregen könnten, die Anode ohne Energieabgabe erreichen.
(Das heißt also, dass immer genügend freie Elektronen an der Glühkatode zur Verfügung stehen, so dass konstant immer mehr von ihnen pro Zeiteinheit abgesaugt und beschleunigt werden? Aber wenn dann immer mehr Elektronen pro Zeiteinheit abgelöst werden (mit größerer Beschleunigungsspannung (weil immer genug zur Verfügung stehen)) und diese dann auf eine maximale kinetische Energie beschleunigt werden, müsste doch trotzdem die Kurze weiter ansteigen, weil einfach immer mehr Elektronen pro Zeit an der Anode auftreffen ...und noch eine Frage zum Verlauf an der Grenze: Dort müssten doch trotzdem noch Minima durch Anregungen kurz vor dem Gitter entstehen, die sich aber auch immer mehr der Grenze annähern, oder?)
Zu 2)
Die Stromstärke wird qualitativ gemessen, weil die Elektronen trotz der Bremsstrahlung beim Auftreffen auf die Anode immernoch eine gewisse kinetische Energie haben und diese bei jedem Elektron unterschiedlich ist. Dadurch steigt der Graph, auch wenn konstant viele Elektronen auftreffen, dadurch, dass die Beschleunigungsspannung erhöht wird und somit auch die Elektronen mit einer höheren kinetischen Energie durch das Amperemeter fließen.
Kann man das so begründen oder habe ich das falsch verstanden?
|
|
|
| |
|
| Status: |
(Antwort) fertig | | Datum: | 00:13 Do 01.03.2007 | | Autor: | leduart |
Hallo newton man
Einige Berichtigungen:
1.Du hattest recht, eine solche Roehre hat einen Saettigungsstrom, also ganz unabhaengig von dem Frank-Hertz gibt es eine maximale Stromstaerke, auch wenn Vakuum statt des Gases in der Roehre ist.
2. Mit Lichtgeschw. hat das nichts zu tun, dafuer sind die hier vorkommenden Spannungen zu klein,
Beim normalen FH Versuch wird diese max. Stromstaerke nicht erreicht, (man darf die spannung nicht so hoch machen, das koennte zu ner Gasentladung und der zerstoerung der Roehre fuehren.)
2. Bremsstrahlung: diese Bremsstrahlung waere unterhalb des sichtbaren Bereichs, sie wuerde -wie bei der Roe. Bremsstrahlung IM Anodenmaterial passieren (wieso sollen die e vorher gebremst werden?) Die kin. energie der aufprallenden e wird nicht als Vorwaertsbewegung der e, d.h. Strom sichtbar, sondern nur durch erwaermung der Anode.
Die kin. Energie der einzelnen e im Metall ist winzig, typische Geschw. selbst bei hohen Stroemen sin mm/s .
Die Stromstaerke steigt nur mit der Anzahl der ankommenden Elektronen.und die steigt (bis zur Saettigung) mit der "absaugenden" Spannung.
Ich hoffe, das hat einiges geklaert, auch die nicht ganz richtigen Bemerkungen von Kroni.
Gruss leduart
|
|
|
| |
|
Hi!
Danke für Deine Hilfe. Jetzt bin ich schonmal einen großen Schritt weiter.
Ich habe jetzt verstanden, dass die Stromstärke nur von der Anzahl der Elektronen abhängt, die zur Anode gelangen, weil ihre kinetische Energie beim Auftreffen (egal wie hoch sie war) in Wärmeenergie der Anode umgewandelt wird.
Aber nochmal ganz kurz zur 1. Aufgabe. Da ja klar ist, dass es eine Grenze gibt, frage ich mich nur warum es sie genau gibt (also auch warum sie bei einer Triode existiert). Unser Lehrer hatte gesagt es gibt 3 mögliche Gründe.
Ich kann 2 Gründe nennen:
1. Weil die Glühkatode irgendwann nicht mehr ausreichend Elektronen emittiert, um einen weiteren Anstieg zu gewährleisten (wie ich ja schon beschrieben hatte).
(Wenn man das so begründet, müsste der Strom doch irgendwann insgesamt wieder Abfallen und sich dann auf einem Wert einpendeln, weil ja dann weniger Elektronen pro Zeit beschleunigt werden können, als vorher (deswegen wird die Wolke ja aufgebraucht). Kann man verstehen was ich meine und weiß jemand ob das passiert?)
2. Weil die Anode ab einem bestimmten Punkt nicht noch mehr Elektronen pro Zeiteinheit aufnehmen kann, weil einfach zu viele Elektronen gleichzeitig bei ihr ankommen. Sie nimmt also nur noch konstant viele auf und dadurch bleibt die Stromstärke auch konstant.
Diese beiden Vorschläge hat mein Lehrer so abgenickt.
Mir fällt aber leider kein 3. Grund ein und er will ihn mir nicht sagen, weil der vielleicht Abirelevant ist. Habt ihr eine Idee?
Ich habe mir auch nochmal Gedanken zu dem Verlauf des Graphen im Grenzbereich gemacht und würde gerne wissen, ob meine Überlegungen so richtig sind:
Die Maxima flachen immer weiter ab, bis sie alle auf einem Niveau sind. Es gibt dort aber zunächst trotzdem keine Gerade, sondern es gibt erst noch weiterhin Minima, die sich aber auch immer mehr der Geraden annähern.
Das müsste also ungefähr, wie in diesem Diagramm aussehen, wenn man es gedanklich so fortführt, wie ich es beschrieben habe. Im Ansatz sieht es dort ja schon so aus.
Ist das so richtig? Und fällt der Strom dann noch kurz einmal ab um sich dann um einen Wert zu stabilisieren?
[Dateianhang nicht öffentlich]
Nochmal vielen Dank für eure Mühe. Langsam habe ich nicht mehr ganz so viel Angst vorm Abi .
Liebe Grüße
newton-man
Dateianhänge:
Anhang Nr. 1 (Typ: JPG) [nicht öffentlich]
|
|
|
| |
|
| Status: |
(Antwort) fertig | | Datum: | 17:02 Do 01.03.2007 | | Autor: | leduart |
Hallo
Bei fester Energiezufuhr (Heizung) kann die Kathode wirklich nur eine begrenzte Menge e liefern.
Deshalb wird bei der Diode (Vakuum) die Saettigung erreicht, Aber warum soll der Strom abfallen? Wenn alle pro Zeit "verdampften" e bei der Anode ankommen (und ihre kin Energie keine Rolle spielt) bleibt der Strom konstant, trotz steigender Spannung.
Den Punkt 2: Anode kann nicht mehr aufnehmen, halt ich fuer Quatsch (Tschuldigung) Welcher Mechanismus sollte denn den Abtransport verhindern? Also denk ich der Punkt faellt weg.
3. Grund fuer Stromabfall kann ich nicht sehen, Wenn man nem Lehrer ne konkrete Frage stellt, sollte er sie auch beantworten wenn sie Abirel. ist! bzw. gerade dann! Abi ist ja kein Gluecksspiel!
Ich kann mir nur denken, dass der Strom irgendwann wieder groesser wird, wenn naemlich ne Gasentladung eintritt, die e also bei einem Stoss schon soviel Energie haben die Gasatome nicht nur anzuregen, sondern zu ionisieren. (ich hoff du kennst den Mechanismus der Gasentladung?)
Deine Kurve scheint mir vernuenftig.
Solange keine Gasentladung stattfindet, sollten aber immer Minima auftreten.Wenn du daran denkst, dass die letzten Minima ja sagen, dass das e insgesamt soviel Energie aufnimmt, dass es mehr als 6 mal die Anregungsenergie aufbring, muss man nahe an der Stelle sein, woe es zwischen 2 Zusammenst. genug Energie hat um zu ionisiern. also Anfang einer Gasentladung!
Gruss leduart
|
|
|
|
