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Protokoll des Versuchs zur Atomstruktur des Physikalischen Praktikums für Naturwissenschaftler
Art: Protokolle
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Physikalisches Blockpraktikum für Naturwissenschaftler WS 2021/
AS – Versuch
Protokoll von Sabrina Schmidt und Serena Hedrich
Praktikumsgruppe 25
Studiengang: Bachelor of Education Chemie
Betreuer: Marcel Alius
Durchgeführt am: 02.03.
Drittabgabe: 18 .0 5.
Atomstruktur Sabrina Schmidt, Serena Hedrich
Inhaltsverzeichnis
1.1. Zielstellung und Versuchsbeschreibung 3
1.2. Franck-Hertz-Diagramm 4
1.3. Berechnung der Anregungsenergie aus Messwerten 6
1.4. Berechnung der Anregungsenergie aus Literaturwerten 8
1.5. Zusammenhang t 0
und Berechnung ∆"
1.6. Zustandekommen der Strom-Spannungskennlinie 9
1.7. Fazit 10
2.1. Zielstellung und Versuchsbeschreibung 11
2.2. Nachweis Moseley-Gesetz 12
2.3. Messung unbekannter Proben 14
2.4. Fazit 16
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Erhobene Zeitpunkte der Messungen 6
Tabelle 2: Ergebnisse der Zwischenrechnungen 7
Tabelle 3: Messwerte der verschiedenen Elemente 12
Diagrammverzeichnis
Diagramm 1: graphische Auftragung des 1. Moseley-Gesetzes anhand der
Messwerte aus Tabelle 3
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Franck-Hertz-Versuchs (AS.3) 3
Abbildung 2: Auffängerstrom aufgetragen gegen
Beschleunigungsspannung
Abbildung 3: Linienenergien des unbekannten Metallplättchens 14
Abbildung 4: Linienenergien der Münze 15
Auswertung
1.2. Franck-Hertz-Diagramm
In diesem Aufgabenteil wird der gemessene Auffängerstrom gegen die Zeit t
dargestellt.
Im Folgenden werden die Messwerte, welche bei der Messung 4 bei einer
Gegenspannung von " !
= 1 & aufgenommen wurden, in einem Diagramm
dargestellt.
Abbildung 2 : Auffängerstrom aufgetragen gegen Zeit
-0,
0
0,
1
1,
2
2,
3
3,
4
4,
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Auffängerstrom in beliebigen Einheiten
Zeit t in s
c. Für ∆! ergibt sich dann:
Die Ergebnisse werden in der folgenden Tabelle dargestellt:
Tabelle 2 : Ergebnisse der Zwischenrechnungen
Gegenspannung
'
in + ∆' in + ∆$ [&] oder 8 [9&]
Für ∆! aller Werte kann eine Anregungsenergie bestimmt werden. Diese entspricht
dem Zahlenwert von ∆! und wird mit der Einheit -. angegeben.
Der Mittelwert aus allen Anregungsenergien , lautet:
Die Standardabweichung # /
wird (laut GR.11) folgend berechnet und lautet:
/
%
0
&
% 1.
Anschließend lässt sich die Standardabweichung des Mittelwerts berechnen (GR.12):
/
̅
Das endgültige Ergebnis für , wird wie folgt angegeben:
1.4. Berechnung eines Wertes für die Anregungsenergie von Quecksilber aus
Literaturwerten
Wenn das angeregte Elektron zurück in seine ursprüngliche Schale fällt, emittiert
eine Quecksilberatom Strahlung der Wellenlänge N = 253 , 7 AO. Die Energie der
Strahlung wird wie folgt berechnet:
.
.
456
Durch Umrechnung von Joule auf Elektronenvolt durch 1 -. = 1 , 602 ∗ 10
U. Es
ergibt sich:
Die berechnete Anregungsenergie , 8
= 4 , 89 -. liegt dem ermittelten Wert aus den
Messwerten aus Aufgabe 2 mit , 9
= 4 , 92 sehr nahe. Des Weiteren liegt der
berechnete Wert in dessen Messunsicherheitsbereich und es lässt sich daraus
schließen, dass bei der Messung der Wert für die Anregungsenergie für Quecksilber
sehr gut ermittelt wurde.
dass das Elektron die für die Anregung nötige kinetische Energie an das
Quecksilberatom abgibt. Sobald die nötige kinetische Energie vorhanden ist, bildet
sich eine sogenannte Stoßzone aus, die zu Beginn noch unmittelbar vor der Anode
liegt. Aufgrund der kurzen Wegstrecke und der nicht aufbringbaren Energie sinkt der
Auffängerstrom bis zum ersten Minimum und das erste Maximum entsteht.
Bei konstant zunehmender Spannung wandert die Stoßzone immer weiter in
Richtung der Kathode. Das Elektron hat somit eine größere Wegstrecke, um die
nötige Energie zum Überwinden der Gegenspannung zu sammeln. Dies ist ab dem
ersten Tiefpunkt der Fall.
Die Stromstärke steigt bis zum zweiten Maximum wieder an und das erste Minimum
bildet sich. Befindet sich die Stoßzone im weiteren Verlauf in ausreichender
Entfernung zur Anode, erlangen die Elektronen wieder die nötige kinetische Energie,
um kurz vor der Gitteranode einen weiteren inelastischen Stoß einzuleiten. Somit
bildet sich eine weitere Stoßzone, die zu Beginn wieder unmittelbar vor der Anode
liegt.
Die Wegstrecke ist nicht ausreichend, um die nötige kinetische Energie zu
bekommen, somit flacht der Auffängerstrom bis zum zweiten Minimum ab und das
zweite Maximum entsteht.
Durch weiteres konstantes Erhöhen der Beschleunigungsspannung wiederholt sich
dieser Vorgang und es kommt zur Mehrfachausbildung von Maxima und Minima. Bei
der abgebildeten Kurve also fünfmal).
Die Abstände zwischen Maxima entsprechen der Energie, die für einen inelastischen
Stoß benötigt wird. Die Beträge sind immer gleich groß, was bedeutet, dass die
Energiedifferenz zwischen zwei Schalen (eines Atoms desselben Elements) identisch
ist.
1.7. Fazit
Das zweite Bohr’sche Postulat konnte im ersten Versuchsteil bestätigt werden. Die
berechneten Anregungsenergien liegen im erwarteten Bereich der Literaturwerte.
2. Versuchsteil II
2.1. Zielstellung und Versuchsbeschreibung
Zielstellung:
Zielstellung des Versuchs ist die Bestimmung der Energie der V #=>?#
(= charakteristische Röntgenstrahlung) bekannter Proben zum Nachweis des
Mosley-Gesetzes.
Anschließend soll die Zusammensetzung unbekannter Proben mittels der jeweilig
erhaltenden V @
Versuchsbeschreibung:
Im zweiten Versuchsteil, dem Versuch der Röntgenfluoreszenz, soll die Energie von
Photonen analysiert werden, die bei Übergängen von kernnahen Schalen frei wird.
Dazu wird eine Probe mit hochenergetischer Röntgenstrahlung bestrahlt, dabei
kommt es zu Ionisation des Atoms und ein Elektron verlässt die Schale.
Anschließend nimmt ein Elektron aus einer höheren Schale dessen Platz ein, da
dieser energetisch günstiger ist. Dabei wird Energie frei, die charakteristisch für jedes
Element ist und durch diese nun die Elemente in Materialien bestimmt werden
können.
Eine Probe aus Titan und Silber wird in einen Strahlengang gelegt, gemessen und
eine Kalibrierung der x-Achse im Programm CassyLab vorgenommen. Anschließend
werden unterschiedliche, bekannte Proben in den Strahlengang gelegt und dessen
Übergangsenergien graphisch bestimmt. Zum Schluss werden noch zwei
unbekannte Proben mit Hilfe der graphischen Ergebnisse detektiert, um
herauszufinden, um welche Metalle es sich hierbei handelt.
Das 1. Moseley-Gesetz lautet für alle ] ≤ 30 :
B
"
B "
Dies ist die Geradengleichung, welche in Diagramm 1 eingezeichnet ist. Sie
beschreibt den Zusammenhang zwischen der Energie P
B "
und der Ordnungszahl ].
2.3. Messung der unbekannten Proben
Probe I (Metallplättchen):
Abbildung 3 : Linienenergien des unbekannten Metallplättchens
Die Peaks liegen hier bei P /.
= 6 , 43 _-. und P
/ 0
= 8 , 66 _-.. Der größere 6 , 43 _-.
Peak ist höchstwahrscheinlich Eisen, da dieses im vorherigen Versuchsabschnitt
einen ähnlichen Wert bzw. Peak hatte. Da dieser Peak größer ist als der andere, ist
Eisen höchstwahrscheinlich auch der Hauptbestandteil des Plättchens. Der andere
Peak entspricht schätzungsweise Zink, da auch dieses einen ähnlichen Peak um
8 , 64 _-. aufwies.
2.4. Fazit
In diesem Versuch wurden fünf Metalle mit der Ordnungzahl 24-30 untersucht und in
ein Diagramm eingezeichnet. Dieses zeigt, dass alle fünf Werte nahezu auf der
Gerade liegen (mit geringen Abweichungen). Somit ist das Moseley-Gesetz bestätigt.
Die Abweichungen können beispielsweise durch ungenaues Ablesen, falsches
Bedienen des Programms oder durch Verunreinigungen der Proben kommen. Des
Weiteren haben eventuelle Ungenauigkeiten der Apparatur oder zufällige
Schwankungen durch kurze Messzeiten einen Einfluss auf das Ergebnis.
3. Anhang Messwerte
