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Fadenstrahlrohr mit großen Helmholtzspulen zur Bestimmung des Quotienten e/m

Diese Seite ist den Geräten der ehemaligen NEVA in Geislingen gewidmet. Die Geräte werden auch heute noch an Schulen und Universitäten vertrieben. Sie werden seit einigen Jahren produziert von der Firma ELWE in Klingenthal.

NEVA hatte ein vollständiges Physikprogramm, das in den 80er Jahren um die Bereiche Elektrochemie und Allgemeine Chemie erweitert wurde. Es würde an dieser Stelle zu weit führen, das gesamte Programm vorzustellen. Daher beschränken wir uns auf unser Kerngebiet, die Atomphysik und die Quantenphysik im weitesten Sinne.

Alle Versuchseinheiten, die wir hier beschreiben, können Sie bei uns käuflich erwerben. Im Gegensatz zu einigen unserer Crookes- und Röntgenröhren dürfen Sie diese Geräte völlig ohne Einschränkung in Ihrem Unterricht verwenden.




Schon zu Anfang des Jahrhunderts schuf Ferdinand von Braun die Grundlage zu dem, was uns allen heute unentbehrlich geworden ist. Gemeint ist die Fernsehröhre. Ein erstes Modell, das bei uns ebenfalls erworben werden kann, ist die Braunsche Röhre mit Kaltkathode.



Dieses noch sehr ursprüngliche Produkt wurde bereits in den 50er Jahren so verändert, daß man es im Schulbetrieb auf einfachste Art und Weise einsetzen konnte. An der äußeren Form hat sich auch nach über 50 Jahren nichts geändert. Die Röhre wird geliefert mit einem Sägezahngenerator, der die entsprechenden Versorgungsspannungen liefert.

Braunsche Röhre mit Sägezahn- generator


Im Lieferumfang sind ebenfalls die drei Spulen enthalten, die auf dem Ring um die Röhre unterschiedlich angeordnet werden können.


Hier im Bild ist noch das Betriebsgerät zu sehen, das zum Betrieb noch zusätzlich benötigt wird.





Für diese Röhre ist eine Vakuumpumpe unerläßlich. Durch den variablen Elektrodenabstand lassen sich eine ganze Reihe von Gesetzmäßigkeiten der elektrischen Gasentladung nachweisen.






Ähnlich aufgebaut ist die Sondenröhre. Mit ihr läßt sich der Potentialverlauf längs der Entladungsstrecke bei unterschiedlichen Drücken untersuchen. Auch für diese Röhre benötigt man eine Vakuumpumpe.





Dieses Gerät demonstriert in beeindruckender Weise, wie sich unterschiedliche Druckverhältnisse im Inneren von Gasentladungsröhren auf die Entladungsarten auswirken. Mit der Vakuumskala nach Cross lassen sich insgesamt 6 verschiedene Erscheinungen registrieren. Das Gestell ist mittlerweile aus Kunststoff. Wir haben allerdings noch einige Originalgeräte mit robustem Holzgestell der Firma Pressler in Cursdorf vorrätig.

Video: Vakuumskala




Mit der Quantenphysik untrennbar verbunden sind die Namen von zwei deutschen Wissenschaftlern- Max Planck und Albert Einstein. Einstein entdeckte den Fotoeffekt, ohne den u.a. die heutige Digitalfotografie nicht möglich wäre, und Planck entdeckte u.a. das nach ihm benannte Wirkungsquantum. Ohne diese beiden Entdeckungen wäre uns die Welt der Quanten wahrscheinlich noch lange verschlossen geblieben.





Das Fadenstrahlrohr dient der quantitativen Bestimmung des Quotienten                 e / m (der spezifischen Elektronenladung) im magnetischen Feld eines homogenen Helmholtzspulenpaares. Hierbei werden Elektronen, je nach äußerem Einfluß auf eine kreisförmige Bahn gezwungen.





Dieses vollkommen neu konzipierte Betriebsgerät hat im System bereits die Helmholtzspulen integriert und besitzt gleichzeitig eine Drehvorrichtung für die Röhre. Somit lassen sich nicht nur kreisförmige Ringentladungen zeigen, sondern auch spiralförmige.




Hier stehen 2 Varianten zur Auswahl- die Vakuumfotozelle und die gasgefüllte Fotozelle. Beide dienen dem Nachweis des lichtelektrischen Effekts (Fotoeffekt). Die gasgefüllte Fotozelle ist wesentlich lichtempfindlicher, sodaß der Effekt hier bereits mit relativ unempfindlichen Meßgeräten nachgewiesen werden kann. Beide lassen sich in die gleiche Schaltung einsetzen.




Diese Schwarzlichtröhre ist eine sehr intensive Quecksilberdampflampe. An einer Stelle wurde der schwarze Glaskolben geöffnet, sodaß das Quecksilberspektrum direkt aus der Strahlung herausgelesen werden kann.



Mit ihr lassen sich die Fotozellen bestrahlen und auf diese Weise das Plancksche Wirkungsquantum h mit großer Genauigkeit bestimmen.






Eine wesentlich elegantere Lösung bietet die Versuchsanordnung mit den Leuchtdioden auf Sockelplatte. Die LEDs sind in hohem Maße spektralrein und daher besonders gut geeignet, das Plancksche Wirkungsquantum bei verschiedenen Farben zu ermitteln. Eine verblüffend einfache und preisgünstige Lösung.








Als im Jahr 1913 die Forscher Franck und Hertz mit einer hochevakuierten Quecksilberröhre arbeiteten, gelang ihnen durch den nach ihnen benannten Versuch der Beweis für die Richtigkeit der quantentheoretischen Vorstellungen. Der Versuch wird auch heute noch sehr gerne in den Schulen eingesetzt, da er einfach durchzuführen ist und sehr gut reproduzierbare Ergebnisse liefert. Der einzige Nachteil dieser Anordnung ist lediglich ,daß man nichts direkt beobachten kann.


                          
Heizofen für Franck-Hertz-VersuchFranck-Hertz-Röhre auf Sockelplatte

 

Auch zu diesem altbewährten System gibt es mittlerweile eine modernere Variante. Sie ist hier unten zu sehen:





Auch das Betriebsgerät ist vollkommen neu konzipiert und auf Sicherheitskabel ausgelegt worden, wie der ganze Franck-Hertz-Versuch.


Es wird lediglich ein Betriebsgerät für die notwendigen Spannungen gebraucht. Auswerten läßt sich der Versuch direkt am Oszilloskop oder am Computer.




Diese Variante kommt vor allem Schülern entgegen, die einen Versuch am liebsten mit den Augen verfolgen. Durch die Füllung mit Neon emittiert die Röhre im sichtbaren Bereich und benötigt auch keine zusätzliche Heizung.


Auch hier benötigen Sie lediglich das Betriebsgerät mit den erforderlichen Spannungen.




Neben dem herkömmlichen Versuch mit reinen Gasen und Dämpfen beschäftigten sich Franck und Hertz auch mit Gasgemischen und entdeckten dabei den charakteristischen Farbumschlag der Gasentladung beim Auftreten neuer Anregungsstufen. Am erfolgreichsten war das Gemisch aus Quecksilber und Neon.



Auch für diesen Versuch wird keine Heizvorrichtung benötigt.

ACHTUNG! Für dieses Gerät läuft die Produktion aus. Nur noch Restbestände!




Mit dem Franck-Hertz-Versuch wurde der Beweis erbracht, daß neutrale Atome nur diskrete Energiebeträge aufnehmen können, wenn diese kleiner als die Ionisierungsenergie ist.  Bei der Resonanzfluoreszenz ist die Energieaufnahme nur dann möglich, wenn Resonanz herrscht. Das bedeutet, daß die Frequenz des eingestrahlten Lichts exakt der Eigenfrequenz der Atome in der Röhre entsprechen muß.



Für diesen Versuch benötigt man den Heizofen, der auch beim Franck-Hertz-Versuch Verwendung findet. Bei 200 °C strahlt der Kolben, aufgrund der Natriumfüllung in grellem Gelb. Erhöht man die Temperatur, so erhöht sich der Dampfdruck und damit die Schichtdicke. Die Lampe erscheint nun dunkel auf hellem Grund. Läßt man nun weißes Glühlicht auf den Kolben fallen, so kann man mit einem Spektroskop die beiden Na-D-Linien dunkel auf farbigem Grund (Umkehr der D-Linien)






 
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