Probleme während des Versuchs

Messfehler durch ungenaues Ablesen
Beeinflussung des Ergebnisses durch statistische Effekte
keine vollkommen (un)elastischen Stöße
Beeinflussung durch Kontaktspannung
BNC-Kabel als Fehlerquelle
Anmerkung


Bei der Versuchsdurchführung
Wie bei jedem quantitativen Versuch kommt es zu Messfehlern, die sowohl durch ungenaue Apparaturen, als auch durch falsches Ablesen zustande kommen können.
Der größte Messfehler in diesem Versuch liegt sicherlich beim Ablesen der Messwerte, da ich bei meiner Versuchsdurchführung ein analoges Messgerät verwendete. Dieses hat den Vorteil, dass durch die Zeigerbewegung der Verlauf des Graphens ersichtlich wird; es ist aber eben nicht so genau wie ein digitales Gerät mit LC-Anzeige. Ein wichtigen Grund für ein fehlerhaftes Ablesen der Werte stellt der Effekt der Parallaxe dar. Dabei ist der Blickwinkel auf das analoge Messgerät entscheidend für den von mir abgelesenen Wert.
 Die Messwerte dieses Versuchs sind nicht reproduzierbar, da der Versuch auf Wahrscheinlichkeiten basiert. Eine zu sehr statistische Auswertung wird jedoch durch einen - gegenüber der freien Weglänge von Elektronen in diesem Milieu - großen Abstand zwischen Kathode und Anode erreicht, sodass eine große Anzahl an Stößen erreicht wird und sich somit eine kleinere Standardabweichung ergibt. Daher ist es wahrscheinlicher, dass ein Elektron mit einem Atom einen (unelastischen) Stoß eingeht, als an allen Atomen vorbeizufliegen und direkt zum Auffänger zu gelangen, jedoch nicht ganz 100%ig sicher. Diese freie Weglänge der Elektronen ist groß genug, sodass die Elektronen genügend Ekin bekommen können.

 Bei meiner Facharbeit ging ich stets davon aus, dass die Elektronen vollkommen elastische Stöße mit den Atomen eingehen. Sie verlieren aber mit jedem Stoß einen Teil ihrer Energie - auch beim elastischen Stoß. Es finden also strenggenommen keine vollkommen elastischen Stöße statt. Dieser Energieverlust ist sicherlich sehr gering, es ist aber möglich, dass ein Elektron zwischen zwei unelastischen Stößen mehrere elastische Stöße erfahren hat und damit auch einen nicht zu vernachlässigenden Teil seiner kinetischen Energie verliert.

Neben obigen Unschärfen am Kurvenverlauf ist noch ein weiterer Fehler für eine Verschiebung der Kurve verantwortlich: Bei Berührung verschiedener Metalle entsteht an dessen Berührungsstelle eine sog. Kontaktspannung. Da Anode und Kathode der Franck-Hertz-Röhre aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wird die Kontaktspannung der Beschleunigungsspannung überlagert und bewirkt eine Verschiebung der Kurve in horizontaler Richtung.
Versuchsaufbau: man erkennt deutlich, wie das rote Kabel vom Tisch hängt und die Messwerte verfälscht Eine sehr tückische "Verfälschung" des Versuchs kann auch durch das BNC-Kabel verursacht werden. Dieses Kabel ist eine direkte Verbindung zwischen Messgerät und Franck-Hertz-Rohr. Legt man dieses Kabel während des Versuchs ungünstig, kann es vorkommen, dass man versehentlich (und vielleicht auch ohne es zu bemerken) selbiges berührt und bewegt. Diese Ungeschicklichkeit bemerkt man meist erst dann, wenn eine weitere Versuchsmessung folgt, bei der im Vergleich zur Ersten (stark) abweichende Messwerte herauskommen. Ähnlich erging es mir. Da es Probleme mit dem BNC-Kabel gab (Beschädigungen der Stecker), wurde dieses gegen ein zweiadriges Kabel ausgetauscht, das keine besondere Abschirmung wie das Koaxial-Kabel besaß. Ich achtete während der ersten Versuchsdurchführung nicht besonders auf das Kabel und bewegte es einige Male, da es von der Tischkante herunterhing (siehe Bild: rotes Kabel). Dass dies meine Messwerte verfälschte erkannte ich erst, nachdem ich das Kabel während eines Messwertes bewegte und zugleich einen heftigen Ausschlag des Amperemeters bemerkte, ohne dabei die Beschleunigungsspannung verändert zu haben. Daraufhin führte ich den Versuch ein weiteres Mal durch und verglich beide Ergebnisse:

 1. Messung/2.Messung:
(Von mir wurde Messung 1 weiterverwendet)
1. M.2. M.
UB/V I/nAI/nA
0.0 0.000 0.000
1.0 0.000 0.000
1.5 0.000 0.000
2.0 0.000 0.000
2.5 0.000 0.000
3.0 0.000 0.000
3.5 0.000 0.000
4.0 0.000 0.000
4.5 0.000 0.000
5.0 0.040 0.000
5.5 0.040 0.040
6.0 0.150 0.125
6.5 0.185 0.185
7.0 0.060 0.075
7.5 0.020 0.035
8.0 0.010 0.020
8.5 0.015 0.030
9.0 0.075 0.090
9.5 0.018 0.225
10.0 0.490 0.600
10.5 1.300 1.450
11.0 1.950 2.250
11.5 2.400 2.200
12.0 1.200 1.200
12.5 0.380 0.450
13.0 0.160 0.250
13.5 0.195 0.300
14.0 0.520 0.600
14.5 1.500 1.000
15.0 2.800 2.600
15.5 5.050 5.250
16.0 7.750 7.900
16.5 7.600 7.850
17.0 5.600 5.450
17.5 2.800 2.650
18.0 1.600 1.350
18.5 1.400 1.150
19.0 2.000 1.800
 Diagramm: beide nebenstehende Messwerte im Vergleich


Anmerkung:
Es wäre theoretisch möglich, dass nicht alle Hg-Atome im Grundzustand angeregt werden. Sie fallen zwar nach einer sehr kurzen Zeit von einigen Millisekunden wieder vom angeregten Zustand in den Grundzustand zurück, es wäre aber dennoch nicht auszuschließen, dass es in dieser Zeit von einem anderen Elektron ein weiteres Mal angeregt wird. Diese Anregung könnte nun - abweichend von der Energie E = 4,9 eV - eine höhere oder niedrigere Energie benötigen, so dass das anregende Elektron nun eine andere Energie verlieren würde. (siehe hierzu Energiestufen)
Diese Anregung von einem anderen Anregungszustand ist jedoch mit der von mir hierfür benutzten Apparatur nicht möglich; man müsste den Aufbau variieren, um oben genannte Effekte zu bemerken. Das Hg-Atom besitzt noch ein Energieniveau unterhalb von 4,9 eV mit 4,68 eV. Ein in diesem befindliches Atom fällt allerdings nicht wie das im 4,9 eV-Niveau durch Lichtemission in den Grundzustand zurück, sondern kann seine Energie nur durch einen weiteren Stoß auf den Stoßpartner übertragen. Aus diesem Grund ist im Graphen kein Energieeinbruch bei E = 4,68 eV zu erkennen, da ein zweiter Stoß mit dem Elektron e-2 diesem zweiten Elektron die vom ersten Elektron e-1 verlorene Energie wieder übertragen würde. Somit verändert sich der Auffängerstrom nicht.
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