Franck - Hertz - Versuch mit Neon

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Kurzbeschreibung

Das Franck-Hertz-Neon-Rohr (Elektronenstoßrohr) mit einem Gasdruck von etwa 10 hPa ist eine Vierelektrodenröhre mit ebenen, parallel angeordneten Elektroden, einer indirekt geheizten Oxidkatode C, zwei gitterförmigen Beschleuigungselektroden und einer Auffängerelektrode.

Im Gegensatz zur Quecksilberröhre sind hier also zusätzlich zur Kathode (Elektronenaustritt), zur Anode und zur Gegenelektrode ein Steuergitter eingelassen, das dazu dient, die Elektronen vorzubeschleunigen. Die sogenannte Saugspannung zwischen Kathode und Steuergitter beträgt etwa 1,2 Volt.
Das Betriebsgerät liefert eine oszillierende Beschleunigungsspannung (zwischen Steuergitter und Anode) die von 0 bis 80 Volt einstellbar ist.

Der Abstand zwischen der Katode und der Anode ist groß gegenüber der mittleren freien Wellenlänge der Elektronen im Ne-Gas bei Betriebstemperatur. Somit wird eine möglichst hohe Stoßwahrscheinlichkeit erzielt.
Der Abstand zwischen der Anode und Auffängerelektrode ist dagegen klein gehalten.
Hier legt man eine Spannung von etwa 5,3 Volt an.
Ein Betriebsgerät erzeugt die nötigen regelbaren Spannungen. Der Anodenstrom wird in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung zwischen Glühkathode und Gitter gemessen.
Nur Elektronen mit genügender kinetischer Energie gelangen zur Gegenkathode (Auffänger) und tragen zum Auffängerstrom IA bei.
Er steigt zunächst ähnlich wie bei einer klassischen Tetrode an, erreicht aber ein Maximum, wenn die kinetische Energie der Elektronen kurz vor der Anode gerade ausreicht, um durch Stoß die zur Anregung eines Neon-Atoms erforderliche Energie abzugeben.
Der Auffängerstrom nimmt drastisch ab, da die Elektronen nach dem Stoß die Gegenspannung nicht mehr überwinden können.
Mit steigender Beschleunigungsspannung erreichen die Elektronen die zur Anregung der Neon-Atome erforderliche Energie immer weiter vor der Anode.
Nach dem Stoß werden sie erneut beschleunigt und nehmen bei genügender Beschleunigungsspannung ein zweites Mal so viel Energie aus dem elektrischen Feld auf, dass sie weitere Neon-Atome anregen können.
Es folgt ein zweites Maximum und bei noch größerer Spannung ein drittes Maximum des Auffängerstroms I_A.

Über einen Arbeitswiderstand wird der Auffängerstrom an der y-Achse des Oszilloskops dargestellt, während am y-Eingang die Beschleunigungsspannung anliegt. Man erhält auf diese Weise direkt die typische Franck-Hertz-Kurve mit Maxima und Minima im Abstand von etwa 18,4 - 19eV, ohne sie punktweise ausmessen zu müssen. Über die Nachleuchtfunktion des Oszilloskops bleibt die ganze Kurve ständig sichtbar.

Die Anregung erfolgt mit der größten Wahrscheinlichkeit aus dem Grundzustand in die zehn 3p-Zustände, die zwischen 18,4 eV und 19,0 eV über dem Grundzustand liegen. Die vier mit 16,6 eV bis 16,9 eV etwas niedriger liegenden 3s-Zustände werden mit geringerer Wahrscheinlichkeit angeregt.
Der Übergang der 3p-Zustände in den Grundzustand unter Emission von Photonen ist nur auf dem Umweg über die 3s-Zustände möglich. Das dabei emittierte Licht liegt im sichtbaren Bereich, kann also mit bloßem Auge beobachtet werden.
Die Abregung der Neonatome erfolgt z.T. über Übergänge im sichtbaren Bereich. So können Leuchtschichten beobachtet werden. Diese zeigt man am besten mit der Schwanenhalskamera oder einer USB Mikroskop-Kamera.

Infolge der beim Betrieb des Franck-Hertz-Rohres erzeugten Neonionen wird bei einer kritischen Beschleunigungsspannung eine Zündung (Glimmentladung) auftreten. Der Auffängerstrom steigt dann sprunghaft an und kann den größten Strommessbereich des Verstärkers überschreiten. Nach Einsetzen der Zündung sollte die Beschleunigungsspannung deshalb sofort reduziert werden bis die Entladung erlischt. Die Spannung UH darf nicht zu hoch eingestellt werden, um den Zündvorgang und die langfristige Zerstörung des Rohres zu vermeiden.

 

Betriebsanleitungen: Elektrogeräte