Zum NachschlagenZurück zur ErklärungLeuchtende Schichten — Strom trifft Licht — Erklärung, Video nachlesen.
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Übungsaufgaben
1Wie eine Schicht entstehtAFB I
Vervollständigen Sie den Text zur Entstehung der Leuchtschichten im Neon-Rohr.
Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt). Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.
Auf dem Weg zum Gitter nimmt ein Elektron ständig Energie aus dem Feld auf. Sobald es die von 18,7 eV beisammen hat, stößt es und gibt die gesamte Portion an ein Neon-Atom ab — genau dort leuchtet die erste Schicht. Danach beschleunigt das Feld es erneut, sodass die folgenden Schichten in Abständen erscheinen. Erhöht man die Spannung, rücken alle Schichten näher an die . Um ihre Zahl zu erhalten, muss man eU/ΔE berechnen und anschließend . Zu jeder neu auftauchenden Schicht gehört in der Kennlinie genau ein .
Zwei Wörter tragen die eigentliche Physik: inelastisch und abrunden. Inelastisch heißt, dass die Energie im Atom bleibt statt als Bewegungsenergie zurückzukommen — nur deshalb verliert das Elektron seine gesamte Portion auf einen Schlag. Und abgerundet wird, weil ein Atom keine halbe Portion annimmt: Bei eU = 2,9 ΔE sind es zwei Schichten, nicht drei, und das dritte Bruchstück Energie bleibt beim Elektron.
2Was ändert sich mit der Spannung?AFB I
Ordnen Sie jede Größe danach ein, wie sie auf eine Erhöhung der Beschleunigungsspannung \(U\) reagiert.
Ziehe jede Karte in den passenden Korb — oder wähle sie mit Enter aus und drücke dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1wird größer
2bleibt gleich oder wird kleiner
Der rechte Korb ist der lehrreichere: ΔE, Farbe und die je Stoß übertragene Energie sind Eigenschaften des Neon-Atoms und von der Spannung völlig unabhängig. Die Spannung steuert nur, wie oft und wo diese immer gleiche Portion abgegeben wird. Wer erwartet, dass ein Rohr bei höherer Spannung „blauer“ leuchtet, verwechselt die Energie des Elektrons mit der Energie des Photons.
3Der Weg eines ElektronsAFB I
Bringen Sie die Ereignisse auf dem Weg eines Elektrons von der Kathode zum Gitter in die richtige Reihenfolge.
Sortiere die Karten mit den Pfeiltasten neben den Einträgen oder per Ziehen, bis die Reihenfolge stimmt.
1Das Elektron verlässt die Kathode mit nahezu null Energie
2Das elektrische Feld beschleunigt es in Richtung Gitter
3Nach einer bestimmten Strecke hat es genau 18,7 eV gesammelt
4Es stößt inelastisch mit einem Neon-Atom und gibt die volle Portion ab
5Das angeregte Atom strahlt zurück — hier leuchtet die erste Schicht
6Das fast energielose Elektron wird vom Feld erneut beschleunigt
7Nach der gleichen Strecke folgt der nächste Stoß — die zweite Schicht
Entscheidend ist der Schritt nach dem Stoß: Das Elektron ist nicht verschwunden, es startet nur wieder bei fast null. Weil das Feld überall gleich stark ist, braucht es für die nächste Portion wieder genau dieselbe Strecke — und genau daraus folgt der gleichmäßige Abstand der Schichten. Wer den Neustart übersieht, kann nicht erklären, warum es überhaupt mehr als eine Schicht gibt.
4Schichten zählenAFB II
Neon-Rohr mit \(\Delta E=18{,}7\,\mathrm{eV}\), Beschleunigungsspannung \(U=62\,\mathrm V\).
Bestimmen Sie die Zahl \(n\) der Leuchtschichten.Rechne eU ÷ ΔE und denk an das Abrunden. Trage nur die Zahl ein.
Die Rechnung lautet 62/18,7 ≈ 3,32, abgerundet also n = 3. Der Rest von 0,32 Portionen ist keine „vierte, schwache“ Schicht: Diese Energie behält das Elektron und liefert sie am Gitter als Bewegungsenergie ab. Kontrolle über die Schwellen: Die dritte Schicht erscheint ab 3 · 18,7 = 56,1 V, die vierte erst ab 74,8 V — 62 V liegt genau dazwischen.
5Ein Rohr bei 75 VoltAFB II
Neon-Rohr, \(\Delta E=18{,}7\,\mathrm{eV}\), Länge Kathode–Gitter \(L\), Spannung \(U=75\,\mathrm V\).
Werten Sie das Rohr Schritt für Schritt aus.Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
- Wie viele volle Energieportionen stecken in 75 eV? (75 ÷ 18,7)Portionen
- Wie viele Leuchtschichten sieht man also?Schichten
- Bei wie viel Prozent der Strecke liegt die 1. Schicht? (18,7 ÷ 75 · 100 %)%
- Ab welcher Spannung erscheint die 5. Schicht? (5 · 18,7)V
Der dritte Schritt zeigt, wie eng Zahl und Lage zusammenhängen: 24,9 % sind fast genau ein Viertel — kein Zufall, denn in 75 eV passen gut vier Portionen, und jede Portion beansprucht denselben Streckenanteil. Bemerkenswert ist der Wert 4,01: Das Rohr steht dicht an der Schwelle. Schon 74 V würden nur drei Schichten liefern, und die vierte Schicht sitzt hier praktisch am Gitter (4 · 24,9 % ≈ 99,7 %).
6Lage im Raster darstellenAFB II
Das Rohr wird auf \(U=93{,}5\,\mathrm V\) eingestellt.
Berechnen Sie, bei wie viel Prozent der Strecke Kathode→Gitter die zweite Leuchtschicht liegt, und stellen Sie den Wert im Raster ein.Jede Zelle steht für einen Zahlenwert. Klicke Zellen an oder aus, bis die Summe genau dem Zielwert entspricht.
0
Ziel: 40 %
Aus x₂/L = 2 · 18,7 / 93,5 = 37,4/93,5 = 0,40 folgen 40 %, im Raster 32 + 8. Der Formelbau lohnt einen zweiten Blick: Weil bei 93,5 V genau fünf Portionen hineinpassen, sitzt jede Schicht bei einem glatten Fünftel der Strecke — 20 %, 40 %, 60 %, 80 % und 100 %. Das ist die schnellste Kontrolle: Der Zähler k läuft mit, der Nenner eU/ΔE bleibt fest.
7Wann erscheint die dritte Schicht?AFB II
Das Rohr ist zunächst dunkel; die Spannung wird langsam hochgedreht.
Stellen Sie am Regler die Spannung ein, bei der die dritte Leuchtschicht gerade erscheint.8Neon oder Quecksilber?AFB II
Kreuzen Sie an, für welche Röhre die jeweilige Aussage zutrifft (\(\Delta E_{\mathrm{Ne}}=18{,}7\,\mathrm{eV}\), \(\Delta E_{\mathrm{Hg}}=4{,}9\,\mathrm{eV}\)).
Klicke ein Feld an, wenn die Aussage für diese Röhre gilt. Mehrere Kreuze je Zeile sind möglich.
| Aussage | Neon-Rohr (ΔE = 18,7 eV) | Quecksilber-Rohr (ΔE = 4,9 eV) |
|---|---|---|
| Die Kennlinie zeigt regelmäßige Stromeinbrüche | ||
| Die Leuchtschichten sind mit bloßem Auge sichtbar | ||
| Der erste Stromeinbruch liegt bei rund 4,9 V | ||
| Der erste Stromeinbruch liegt bei rund 18,7 V | ||
| Bei U = 30 V zeigt die Kennlinie mehr als drei Einbrüche | ||
| Das Photon des Anregungsübergangs selbst liegt im Ultravioletten |
Die letzte Zeile ist die eigentliche Pointe: Beide Anregungsphotonen sind unsichtbar (18,7 eV entsprechen 66 nm, 4,9 eV rund 253 nm). Sichtbar wird das Neon-Rohr nur über die Nachfolgeübergänge der Kaskade, bei denen das Atom die Energie in mehreren kleineren Schritten loswird. Quecksilber besitzt diese Zwischenstufen im sichtbaren Bereich nicht — deshalb sind seine Einbrüche messbar, seine Schichten aber unsichtbar.
9Fehler im SchülerheftAFB III
Finden Sie die falschen Zeilen in diesem Heftauszug und klicken Sie sie an.
In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.
Alle drei Fehler beruhen darauf, dass ein scharfer Schwellenwert in ein weiches „ein bisschen“ umgedeutet wird — halb helle Schichten, allmählicher Farbwechsel, fehlende Einbrüche. Genau das Gegenteil ist die Kernaussage des Versuchs: Ein Atom nimmt eine feste Portion auf oder gar nichts. Die Kennlinie hätte ohne diese Quantisierung keine Struktur, sondern stiege einfach glatt an.
10Ein Rohr im PraktikumAFB III
Eine Gruppe untersucht ein Neon-Rohr und beginnt bei kleiner Spannung.
Untersuchen Sie den Verlauf Schritt für Schritt.Spiele den Ablauf Schritt für Schritt durch: Was passiert als Nächstes? Nur die richtige Karte bringt dich weiter.
Der Fall zeigt, warum das Neon-Rohr das anschaulichere Experiment ist als die reine Kennlinie: Man sieht die Energiebilanz. Der springende Punkt ist die erste Beobachtung — kein allmähliches Aufglimmen, sondern ein plötzlicher Einsatz bei einer scharfen Spannung. Ein klassisches Atom, das Energie in beliebig kleinen Häppchen aufnehmen könnte, würde das Rohr schon weit unterhalb von 18,7 V gleichmäßig schwach glühen lassen — und niemals in getrennten Schichten.