Aufgabe 3 · Abitur NRW Physik LK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2021

Aufgabe: Der Franck-Hertz-Versuch mit Neon

Mit dem Franck-Hertz-Versuch lassen sich wesentliche Aussagen über die Struktur von Atomen gewinnen.

Teilaufgabe 1: Aufbau des Franck-Hertz-Versuchs

Im Folgenden soll der Franck-Hertz-Versuch mit Neon durchgeführt werden. Abbildung 1 zeigt einen schematischen Aufbau für diesen Versuch. Darin ist $U_\mathrm{H}$ die Heizspannung, die Spannung $U_\mathrm{B}$ ist veränderlich. Das Gitter 1 dient in diesem Versuch dazu, die Elektronen von der Kathode „abzusaugen“.

a)

• Beschreiben Sie, wie der Franck-Hertz-Versuch in Abbildung 1 aufgebaut ist.

• Erläutern Sie mithilfe von Abbildung 1, welche Aufgabe die einzelnen Bauelemente haben und was die Größen $U_\mathrm{B}$, $U_\mathrm{G}$ und $I_\mathrm{A}$ bedeuten.

• Geben Sie an, wie die Spannungen $U_\mathrm{B}$ und $U_\mathrm{G}$ in Abbildung 1 bei einer üblichen Versuchsdurchführung gepolt sind. [10 Punkte]

Teilaufgabe 2: Auswertung des Versuchs

Bei dem hier durchgeführten Versuch sind die Beträge der Spannungen $U_1 = 3\text{ V}$ und $U_\mathrm{G} = 6{,}5\text{ V}$. Es ergibt sich das in Abbildung 2 dargestellte $U_\mathrm{B}$-$I_\mathrm{A}$-Diagramm, wenn man $U_\mathrm{B}$ von $0\text{ V}$ bis $70\text{ V}$ verändert.

a)

• Beschreiben Sie den Kurvenverlauf des Diagramms in Abbildung 2.

• Geben Sie die Werte der Spannung $U_\mathrm{B}$ an, bei denen im Diagramm in Abbildung 2 die Maxima der Stromstärke $I_\mathrm{A}$ liegen. [6 Punkte]

V

V

V

b)

Begründen Sie, warum nur für eine Spannung $U_\mathrm{B}$ über $3{,}5\text{ V}$ ein Anodenstrom $I_\mathrm{A}$ größer als Null messbar ist. [2 Punkte]

c)

• Erklären Sie, warum die Stromstärke $I_\mathrm{A}$ im Diagramm in Abbildung 2 zum ersten Mal abfällt.

• Erläutern Sie, warum $I_\mathrm{A}$ später noch zweimal abnimmt.

• Erläutern Sie, warum die Minima von $I_\mathrm{A}$ in Abbildung 2 nicht in jedem Fall den Wert Null erreichen. [10 Punkte]

d)

Erläutern Sie, wie das Energieniveauschema von Neon in Abbildung 3 mit dem Diagramm des Franck-Hertz-Versuchs in Abbildung 2 zusammenhängt. [3 Punkte]

Teilaufgabe 3: Leuchterscheinungen beim Franck-Hertz-Versuch

Beim Franck-Hertz-Versuch mit Neon kann man das Auftreten eines roten Leuchtens beobachten. In Abbildung 4 sind zwei deutlich voneinander abgegrenzte rot leuchtende Zonen im Schwarzweißbild dargestellt und mit Pfeilen markiert.

a)

• Bestimmen Sie, welcher der drei möglichen Übergänge im vereinfachten Energieniveauschema von Neon (Abbildung 3) rotes Licht aussendet.

• Bestimmen Sie den Spektralbereich, in dem die beiden übrigen Übergänge liegen. [5 Punkte]

b)

Geben Sie zu den Bildern in Abbildung 5 begründet jeweils einen möglichen Spannungsbereich für $U_\mathrm{B}$ aus dem Diagramm in Abbildung 2 an, bei denen die jeweiligen Bilder in Abbildung 5 jeweils gemacht werden können. [6 Punkte]

c)

Erläutern Sie, inwiefern sich die Leuchterscheinungen in der Franck-Hertz-Röhre verändern, wenn im Versuch aus Abbildung 2 die Spannung $U_\mathrm{B}$ auf etwa $72\text{ V}$ eingestellt wird. [2 Punkte]

Teilaufgabe 4: Atommodelle

Um den Franck-Hertz-Versuch zu deuten, braucht man passende Atommodelle. Abbildung 6 zeigt typische Darstellungen der Modelle von Dalton, Thomson, Rutherford und Bohr.

a)

Beschreiben Sie mithilfe von Abbildung 6 die Modelle von Dalton, Thomson, Rutherford und Bohr knapp mit eigenen Worten. [8 Punkte]

b)

Erläutern Sie zwei Schwächen des Bohr'schen Atommodells. [4 Punkte]

c)

Erläutern Sie, über welche Eigenschaften ein Atommodell verfügen muss, damit es die Ergebnisse des Franck-Hertz-Versuchs erklären kann. [2 Punkte]

d)

Resonanzabsorption bedeutet, dass Atome Photonen aufnehmen können, deren Energie mit der Energie der von ihnen ausgesendeten Photonen übereinstimmt.

• Beschreiben Sie einen geeigneten Versuch, der die Resonanzabsorption veranschaulicht.

• Erläutern Sie, worin sich die Energieübertragung bei der Resonanzabsorption von der im Franck-Hertz-Versuch unterscheidet. [7 Punkte]