SESIÓN DE LABORATORIO Nº 2 EXPERIMENTO DE FRANK-HERTZ

UNIVERSIDAD DE NARIÑO

FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES

DEPARTAMENTO DE FÍSICA

SESIÓN DE LABORATORIO Nº 2

EXPERIMENTO DE FRANK-HERTZ

     13 DE ABRIL DE 2015

RESUMEN: Durante esta práctica se trabajó con el experimento de Franck y Hertz con el fin de poner en evidencia la cuantización de los niveles de energía. Consistió en hacer colisionar de manera inelástica electrones con átomos de mercurio contenido en una capsula de vidrio donde se observó que a voltajes múltiplos aproximados de 4.9V la corriente cae repentinamente.

OBJETIVOS:

∙        Estudiar la cuantización de la energía en choques inelásticos entre electrones y átomos de mercurio (Hg).

INTRODUCCIÓN

En 1913 se dio un gran paso para la mecánica cuántica, cuando Niels Bohr aplicó la distribución cuántica  de  la  energía  para  explicar  el  comportamiento  de  los  electrones  en  el  seno  de  la estructura atómica. Bohr resolvió así las dificultades del modelo atómico de Rutherford, al explicar por qué el átomo no emite radiación de forma continua y los electrones no se precipitan sobre el núcleo permaneciendo  en órbitas estacionarias. Sin embargo, el modelo atómico de Bohr no estaba exento de dificultades teóricas, debidas a la introducción del cuanto de acción para explicar las transiciones energéticas del electrón. Ello implicaba que las transiciones entre los diferentes estados  energéticos  del  átomo  se  producían  mediante saltos  cuánticos,  algo  que  resultaba absolutamente incompatible con la teoría clásica que postulaba transiciones continuas de un estado de energía a otro.

Los experimentos de Frank y Hertz de 1914 demostraron que la cuantización de los niveles de energía de los átomos constituía una propiedad de la materia muy general, incompatible con la teoría corpuscular clásica de la materia, pues para ésta última la energía en un sistema de corpúsculos clásicos es una magnitud continua.

En su experiencia sólo usaron electrones y átomos de mercurio, sin hacer uso de ninguna luz.  Abordaron el problema estudiando directamente la distribución de velocidades de los electrones que llegaban a una placa colectora, conectada a un galvanómetro. El experimento  confirmó  el  modelo  cuántico  del  átomo  de  Bohr  demostrando  que  los átomos solamente podían absorber cantidades específicas de energía o también llamados cuantos. Por ello, es uno de los experimentos fundamentales de la física cuántica. Por este trabajo James Franck y Gustav Hertz recibieron el premio nobel de física en 1925.

DESCRIPCIÓN DE LA EXPERIENCIA

Procedimiento experimental

A continuación se muestra un diagrama (Figura 1) del experimento de Frank-Hertz el cual consiste en un tubo al vacío con vapor de mercurio en su interior y que es calentado por un horno; los electrones son emitidos por un cátodo previamente calentado y son acelerados hacia una rejilla la cual está un potencial  relativo al cátodo. Cerca de ella está el ánodo el cual está un potencial Vp ligeramente menor que el de la rejilla, tal que: Vp = V-Vf con Vf aproximadamente igual a 0.5 V.

Figura 1

[pic 1]

El experimento se explica en términos de colisión elástica y colisión inelástica entre los electrones acelerados y los átomos del gas. Si después de la colisión electrón-átomo, la energía cinética del electrón es mayor que e(V- Vp) pasarán a través de la rejilla logrando llegar al ánodo y ser medidos como corriente I por el amperímetro.

Los electrones que lleguen con una energía menor serán repelidos por el ánodo y volverán a la rejilla. Así, I pasa a través de una serie de máximos y mínimos cuando el potencial acelerador varíe ya que I crece con dicho potencial. Por tanto los átomos del gas absorben energía de los electrones solo cuando estos portan cantidades específicas de energía, llamadas de resonancia.

Para el gas de mercurio, el primer estado excitado es de 4.9 eV por encima de su estado base. Cuando el potencial acelerador V de los electrones sea menor de 4.9

V, las colisiones electrón-átomo serán elásticas y los electrones no cederán energía al gas de mercurio, llegando a la rejilla con energía cinética igual a eV.

Figura 2

[pic 2]

TOMA DE DATOS

A continuación  se indica detalladamente como se dio el proceso de toma de datos paso a paso:

• Se empezó ajustando el termostato a una temperatura de  150°C y se dejó para que se calentara hasta una temperatura de aproximadamente 180°C.
• Una vez alcanzada la temperatura de 180° se fijó el voltaje encargado de calentar el filamento (voltaje calentador) a un valor de aproximadamente 5.5V, este voltaje se mantuvo constante durante toda la práctica.
• Luego se colocó el voltaje entre el ánodo y la rejilla (voltaje opositor),  siendo este opuesto al movimiento de los electrones, se le dio un valor de aproximadamente 2.2V, este voltaje se mantuvo constante durante toda la práctica.
• Una vez fijados los dos otros voltajes (opositor y calentador) se empezó a variar el voltaje entre el cátodo y la rejilla (voltaje acelerador, encargado de acelerar a los electrones) empezando desde 0V hasta un valor máximo de 26V, obteniendo en este intervalo 3 mínimos de corriente muy marcados, el primer mínimo no se puede apreciar bien debido al estado del montaje ya que tiene mucho tiempo de uso.
• Debido a que la temperatura estaba variando constantemente en un intervalo de 180° ± 10° se decidió tomar varios datos de corriente (para un mismo valor de voltaje) y luego hacer un promedio de estos para minimizar el error en la toma de datos, estos datos de voltaje y corriente se registraron en una tabla para posterior análisis.

EVALUACIÓN Y RESULTADOS

Mediante el procedimiento descrito anteriormente se obtuvo la siguiente tabla de datos de voltaje acelerador y corriente anódica:

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