Zum NachschlagenZurück zur ErklärungDer Sprung im Strom — Franck-Hertz-Versuch — Erklärung, Video nachlesen.
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Übungsaufgaben
1Bauteile der Franck-Hertz-RöhreAFB I
Bestimmen Sie im Schema das Bauteil, nach dem gefragt wird.
Lies die Frage über dem Schema und klicke das passende Feld an. Es kommen fünf Fragen nacheinander.
Die eigentliche Messgröße des Versuchs ist der Auffangstrom hinter der Anode — deshalb ist die Gegenspannung so wichtig. Ohne sie kämen auch die abgebremsten Elektronen noch an, und die Einbrüche der Kennlinie wären kaum zu sehen. Sie wirkt wie ein Türsteher, der nur Elektronen mit genügend Restenergie durchlässt, und macht den Energieverlust im Stoß überhaupt erst messbar.
2Elastisch oder inelastisch?AFB I
Ordnen Sie jede Karte der passenden Stoßart zu.
Ziehe jede Karte in den passenden Korb — oder wähle sie mit Enter aus und drücke dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1elastischer Stoß
2inelastischer Stoß
Die Grenze zwischen beiden Stoßarten ist keine Frage der Geschwindigkeit, sondern der Portion: Erst ab 4,9 eV passt die Energie zum Abstand der Hg-Niveaus. Darunter gibt es nichts zu übertragen — das Atom nimmt keine halben Portionen. Der elastische Stoß ist deshalb nicht „energielos“: Das Elektron wird abgelenkt, verliert aber wegen der viel größeren Atommasse fast nichts, ähnlich wie ein Tennisball an einer Hauswand.
3Zahlen und Bauteile im GedächtnisAFB I
Finden Sie die zusammengehörenden Paare.
Klicke zwei Karten an. Passen sie zusammen, bleiben sie offen — sonst drehen sie sich wieder um.
Der Zusammenhang zwischen 4,9 eV und 4,9 V ist kein Zufall und keine Schlamperei: Wegen E = e·U trägt ein Elektron nach dem Durchlaufen von 4,9 V genau 4,9 eV. Deshalb kannst du bei diesem Versuch die Volt-Zahl direkt als eV-Zahl lesen. Die 253 nm dagegen musst du berechnen — sie folgen aus λ = 1240 eV·nm geteilt durch 4,9 eV.
4Die Spannung langsam hochfahrenAFB II
Verfolgen Sie Schritt für Schritt, was bei steigender Beschleunigungsspannung geschieht.
Spiele den Ablauf Schritt für Schritt durch: Was passiert als Nächstes? Nur die richtige Karte bringt dich weiter.
Der Ablauf erklärt die eigenartige Sägezahnform der Kennlinie: Steigen und Einbrechen wechseln sich ab, weil ein Elektron auf dem Weg zum Gitter mehrfach nachbeschleunigt wird. Entscheidend für die Auswertung ist nicht die Höhe der Maxima, sondern ihr gleichbleibender Abstand von 4,9 V. Er ist das direkte Maß für die Portionsgröße, mit der das Atom Energie aufnimmt.
5Der fünfte EinbruchAFB II
Die Anregungsenergie von Quecksilber beträgt \(\Delta E=4{,}9\,\mathrm{eV}\); die Stromeinbrüche liegen bei \(U_n=n\cdot 4{,}9\,\mathrm V\).
Berechnen Sie, bei welcher Beschleunigungsspannung der fünfte Einbruch auftritt.Setze n = 5 in Un = n · 4,9 V ein. Dezimaltrennzeichen egal.
Die Einbrüche liegen auf einem festen Raster: 4,9 − 9,8 − 14,7 − 19,6 − 24,5 V. Ein häufiger Fehler ist, den Abstand mit der Nummer zu verwechseln und für den fünften Einbruch 4·4,9 V zu rechnen — der erste Einbruch gehört bereits zu n = 1. Merke dir die Kontrollfrage: Zwischen dem ersten und dem fünften Einbruch liegen vier Abstände, aber der erste sitzt selbst schon bei 4,9 V.
6Wie viele Anregungen sind möglich?AFB II
Ein Elektron trifft mit der angegebenen kinetischen Energie auf Quecksilberdampf (\(\Delta E=4{,}9\,\mathrm{eV}\)).
Kreuzen Sie für jeden Fall die zutreffende Spalte an.Klicke die Zellen an, die zutreffen. Ein zweiter Klick nimmt die Markierung zurück. Pro Zeile ist genau ein Kreuz richtig.
| Energie des Elektrons | keine Anregung möglich | genau eine Anregung möglich | zwei Anregungen möglich |
|---|---|---|---|
| Ekin = 3,0 eV | |||
| Ekin = 4,9 eV | |||
| Ekin = 7,5 eV | |||
| Ekin = 9,8 eV | |||
| Ekin = 12,0 eV |
Die Zahl der möglichen Anregungen ist die abgerundete Zahl der ganzen Portionen: n = 12,0 : 4,9 = 2,4 → zwei Anregungen. Der Rest von 2,2 eV bleibt dem Elektron als kinetische Energie erhalten, er wird nicht „verschenkt“. Genau deshalb steigt der Strom zwischen zwei Einbrüchen wieder an: Der Rest reicht oft aus, um die Gegenspannung zu überwinden.
7Wo liegt der sechste Einbruch?AFB II
Dasselbe Raster wie zuvor: \(U_n=n\cdot 4{,}9\,\mathrm V\).
Stellen Sie am Regler die Spannung des sechsten Stromeinbruchs ein.8Vom Abstand der Einbrüche zur AnregungsenergieAFB II
Eine reale Röhre liefert Stromeinbrüche bei \(5{,}2\,\mathrm V\), \(10{,}1\,\mathrm V\) und \(15{,}0\,\mathrm V\). Die Verschiebung gegenüber dem Lehrbuchwert stammt von der Kontaktspannung der Elektroden.
Werten Sie die Messreihe Schritt für Schritt aus.Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
- Wie groß ist der Abstand zweier benachbarter Einbrüche? (10,1 − 5,2)V
- Welche Anregungsenergie folgt daraus? (ΔE = e · U)eV
- Welche Wellenlänge hat das Photon? (1240 geteilt durch ΔE)nm
- Bei welcher Spannung liegt der vierte Einbruch? (5,2 + 3 · 4,9)V
Diese Aufgabe zeigt, warum man den Abstand auswertet und nicht die Lage: Die Kontaktspannung von 0,3 V verschiebt alle Einbrüche gleichmäßig nach rechts, lässt ihren Abstand aber unverändert. Wer stattdessen den ersten Einbruch bei 5,2 V direkt als Anregungsenergie deutet, erhält 5,2 eV und daraus eine falsche Wellenlänge von 238 nm. Die Differenzbildung eliminiert den systematischen Fehler — ein Grundprinzip jeder Messauswertung.
9Wie fällt der Stoß aus?AFB III
Die Beschleunigungsspannung beträgt \(U=11\,\mathrm V\), die Anregungsenergie von Quecksilber \(\Delta E=4{,}9\,\mathrm{eV}\).
Bestimmen Sie über den Entscheidungsbaum, wie viele Anregungen dieses Elektron auslösen kann.Beantworte die Fragen des Entscheidungsbaums mit Ja oder Nein und schau, wo du herauskommst.
Der Baum macht sichtbar, dass die Frage immer dieselbe ist, nur mit wachsenden Schwellen: 4,9 − 9,8 − 14,7 eV. Abkürzen kannst du mit einer Division und anschließendem Abrunden: 11 : 4,9 = 2,24 → zwei Anregungen. Achte darauf, dass „11 V“ und „11 eV“ hier dasselbe meinen — das gilt nur, weil ein einfach geladenes Elektron beschleunigt wird.
10Fehler im VersuchsprotokollAFB III
Finden Sie die falschen Zeilen in diesem Protokollauszug und klicken Sie sie an.
In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.
Die drei Fehler treffen die drei Kernaussagen des Versuchs: was im Stoß passiert (volle Portion statt Häppchen), warum der Strom einbricht (Gegenspannung statt Elektronenverlust) und was man sieht (nichts — das Photon ist UV). Der letzte Punkt wird besonders oft falsch erinnert, weil Leuchterscheinungen aus Neonröhren vertraut sind. Dort ist die Anregungsenergie kleiner, die Wellenlänge größer und das Licht deshalb sichtbar.