HW:Elektronenbeugungsröhre

Bei der Elektronenbeugungsröhre handelt es sich um eine spezielle Kathodenstrahlröhre (Braunsche Röhre), in der sich eine dünne Graphitfolie befindet. Durch Beugung der erzeugten Elektronen an dem Graphitgitter lassen sich die Welleneigenschaften von Elektronen mittels Interferenz nachweisen und untersuchen. Der zugehörige Versuch wurde erstmalig von George Paget Thomson (und A. Reid) durchgeführt , wofür er 1937 den Nobelpreis für Physik erhielt . Heute wird die Elektronenbeugungsröhe primär in der Lehre zum direkten Nachweis des Wellencharakters von Elektronen eingesetzt.

Aufbau und Funktionsweise

Aufbau

Bei der Elektronenbeugungsröhre handelt es sich um eine Hochvakuum-Röhre. Im Inneren befindet sich eine Elektronenkanone, welche aus einer Glühkathode mit Wolfram-Heizfaden und einer zylinderförmigen Anode besteht. Eine Lochblende in der Glühkathode sorgt für einen schmalen Elektronenstrahl. Es folgt eine weitere Elektrode, die zur Fokusierung des Elektronenstrahls verwendet wird. Hinter der Fokussierelektrode befindet sich ein Nickeldrahtgeflecht, das mit einer polykristallinen Graphitfolie belegt ist. Diese Folie wirkt als Beugungsgitter für die Elektronen. Nach dem Gitter öffnet sich die Vakuum-Röhre zu einer Glaskugel, auf deren Innenseite eine Fluoreszenzschicht aufgebracht ist. Auf diesem Floureszenzschirm lässt sich im Betrieb das Beugungsbild in Form von konzentrischen Ringen beobachten .

Die gesamte Röhre ist in einen spziellen Röhrenhalter eingebaut. Die Führungsstifte der Röhre sind dabei mit einer Fassung mit Steckbuchsen am Ende des Halters verbunden. Diese sind intern mit den Buchsen auf der Rückseite des Halters verschaltet. Beachte: Die Beschriftung der elektrischen Anschlüsse auf der Rückseite befindet sich auf der Vorderseite des Halters .

Die Buchsen sind für diese Elektronenbeugungsröhre wie folgt belegt :

• F3 & F4: Kathodenheizung, U_F ≤ 7,0 V AC/DC (i.d.R. wird Wechselspannung verwendet)
• C5: Minuspol der Anodenspannung (sollte im Betrieb zusätzlich mit dem Ground verbunden werden)
• G7: Pluspol der Anodenspannung, U_A = 0 - 5000 V DC bei typ. I_A = 0,15 mA (bei 4000 V DC)
• A1: Direkte Verbindung zur Anode (wird für die praktische Schaltung i.d.R. nicht benötigt)

Hinweis: In die Kathodenheizung ist eine Schutzschaltung integriert, um die Beschädigung des Heizfadens zu verhindern. Bei Heizspannungen über 10,5 V DC bzw. ca. 8,5 V AC schaltet ein Relais die Spannung aus. Dies wird dort eine rote LED auf der Vorderseite des Halters angezeigt .

Funktionsweise

1. Elektronenkanone
Durch anlegen einer Heizspannung U_F an die Glühkathode treten Elektronen aus. Die Elektronen werden durch die angelegte Anodenspannung U_A Richtung Zylinderanode beschleunigt. Die Fokussierelektorde hinter der Anode liegt auf dem gleichen Potential wie die Glühkathode und sorgt somit für eine Fokussierung der austretenden Elektronen. Diese Anordnung wird auch als Wehneltzylinder bezeichnet. Am Ende tritt ein scharf begrenztes, monochromatisches Strahlbündel aus der Elektronenkanone aus .

2. Beugung
Der fokussierte Elektronenstrahl trifft auf eine polykristaline Graphitfolie. Diese besteht aus vielen kleinen Graphiteinkristallen und weist eine regelmäßige Gitterstruktur auf (Gitterkonstanten d₁₀ = 0,213 nm; d₁₁ = 0,123 nm ). Die auftreffenden Elektronen werden an diesem Graphitgitter gebeugt. Genauer kommt es zur Bragg-Reflexion an den zufällig angeordenten Einkristallen (analog zum Debye-Scherrer-Verfahren). Diese Beugung führt zu einer starken Aufweitung des Elektronenstrahls .

3. Interferenzmuster
Der aufgeweitete Strahl trifft letztendlich auf den Fluoreszenschirm (Zinksulfid) des Glaskoblens und regt diesen beim Auftreffen zu Fluoresz-Leuchterscheinungen an. Der Schirm leuchtet nur dort auf, wo die Elektronen auftreffen und dient damit als Elektronendektor. Auf dem Schirm kann man das typische Beugungsbild der Debye-Scherrer-Beugung beobachten, bestehend aus konzentrischen Beugungsringen um den ungebeugten Elektronenstrahl. Aus den Radien der Beugungsringe und dem Netzebenenabstand von Graphit lässt sich die Wellenlänge der Elektronen bestimmen .

Elektronenbeugungsröhre von 3B Scientific.

Wichtige Daten

Sammlungspoisition	Elektronik: 4a
Hersteller	3B Scientific
Sicherheitshinweise	Zu hohe Spannungen, Ströme sowie falsche Kathodenheiztemperatur können zur Zerstörung der Röhre führen. Röhre keinen mechanischen Belastungen aussetzen - Implosionsgefahr! Im Betrieb wird der Röhrenhals warm.
Abmessungen	Durchmesser: 130 mm; Gesamtlänge: 260 mm Durchmesser Fluoreszenzschirm: 100 mm
Graphitgitter	Gitterkonstanten: d10 = 0,213 nm, d11 = 0,123 nm Abstand Gitter-Schirm: 125 mm
Sonstiges	Benötigt im Betrieb Gleich- und Wechselspannung (Heizspannung UF ≤ 7,0 V AC & Anodenspannung, UA = 0 - 5000 V DC)

Anschlüsse der Elektronenbeugungsröhre.

Zubehör

In den Halter kann eine zusätzliche Hemlholzspule eingesetzt werden. Diese ermöglicht über ihr Magnetfeld eine Richtungsänderung des Elektronenstrahls. Diese Richtungsänderung ist notwendig, wenn das Graphitgitter fertigungsbedingt Fehlstellen aufweist und der Elektronenstrahl gerade auf diese Fehlstellen trifft . Beachte, dass solche Fehlstellen mit der Zeit auch durch Verglühen der Folie entstehen können. Eine solche kann in zwei Positionen (transversales oder axiales Feld) eingebaut werden. Eine genaue Beschreibung ist der Bedienungsanleitung des Halters zu entnehmen .

Experimente

• Experiment: Elektronenbeugung

Betriebsanweisungen

• Elektronenablenk-, Elektronenbeugungs- und Schattenkreuzröhren

Bedienungsanleitung des Herstellers

• Bedienungsanleitung 3B scientific Elektronenbeugungsröhre S 1013889
• Bedienungsanleitung 3B scientific Röhrenhalter S 1014525

Fotos

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       Ansicht von vorne
  

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       Frontalansicht, eingeschaltet
  

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       Anschlussfeld mit Warn-LED
  

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       Soll-Zustand nach dem Experiment
  

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0