Compendio de Experimentos Clásicos de la Física Moderna

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1 Compendio de Experimentos Clásicos de la Física Moderna
Daniel Mateo Aguirre B. G2E03Daniel 4/06/2015

2 Experimento de Frank-Hertz
El experimento de Frank y Hertz se realizó por primera vez en 1914 por James Frank y Gustav Ludwig Hertz. Tiene por objeto probar la cuantización de los niveles de energía de los electrones en los átomos. El experimento confirmó el modelo cuántico del átomo de Bohr demostrando que los átomos solamente podían absorber cantidades específicas de energía (cuantos). Por ello, este experimento es uno de los experimentos fundamentales de la física cuántica.

3 Esquema Experimento

4 Datos obtenidos

5 Explicación Los electrones son acelerados en el aparato de Frank-Hertz, y la corriente recogida aumenta con el voltaje de aceleración. Como muestran los datos de Frank-Hertz, cuando el voltaje de aceleración alcanza 4,9 voltios, la corriente cae bruscamente, indicando el claro inicio de un nuevo fenómeno que quita suficiente energía a los electrones, de manera que no pueden alcanzar el colector. Esta caída se atribuye a colisiones inelásticas entre los electrones acelerados y los electrones atómicos de los átomos de mercurio. La aparición súbita sugiere que los electrones de mercurio no puede aceptar la energía hasta que se alcanza el umbral para elevarlos a un estado excitado. Este estado excitado de 4,9 voltios, corresponde a una línea fuerte, en el espectro de emisión ultravioleta del mercurio, a 254 nm (un fotón de 4.9 eV). Se producen caídas de la corriente recogida en múltiplos de 4,9 voltios, puesto que un electrón acelerado que tiene quitado 4,9 eV de energía en una colisión, se puede volver a acelerar, para producir otras de tales colisiones a múltiplos de 4,9 voltios. Este experimento fue una fuerte confirmación de la idea de los cuantificados niveles de energía atómica.

6 Experimento efecto fotoeléctrico
Desde el principio se publicó el debate acerca de si la luz estaba compuesta de partículas u ondas. Luego, se encontró que la misma naturaleza dual era también una característica del electrón. En el cambio de siglo, estando bien establecida la evidencia de la descripción de la luz como onda, el efecto fotoeléctrico introdujo igualmente una firme evidencia de su naturaleza de partícula.

7 Esquema

8 Observaciones Los notables aspectos del efecto fotoeléctrico cuando se observó primeramente fueron: Los electrones se emitían inmediatamente ,sin retraso de tiempo. 2. El aumento de la intensidad de la luz aumentaba el número de fotoelectrones, pero ¡no su energía cinética máxima! 3. La luz roja no causa eyección de electrones, ¡no importa cual sea la intensidad! 4. Una débil luz violeta expulsa sólo unos pocos electrones, pero sus energías cinéticas máximas, ¡son mayores que las de la luz intensa de mayor longitud de onda

9 Explicación El análisis de datos del experimento fotoeléctrico mostró que la energía de los electrones emitidos, era proporcional a la frecuencia de la luz de iluminación. Esto demostraba que lo que anulaba la salida de electrones, tenía una energía proporcional a la frecuencia de la luz. El hecho notable que la energía de expulsión fuera independiente de la energía de iluminación total, mostraba que la interacción debería ser igual que la de una partícula que diera ¡toda su energía al electrón! Esto encaja bien con la hipótesis de Planck de que la luz en el experimento de radiación de cuerpo negro, solo podía existir en paquetes discretos de energía. E = hν

10 Experimento Efecto Compton
Compton estudió experimentalmente la dispersión de rayos X por grafito. utilizó carbono (C) en el estado de grafito). Los rayos que salen de un tubo de RX con blanco de molibdeno (Mo) son dispersados en un ángulo θ por la lámina dispersora R, y luego de ser colimados (como un fino haz) se los analiza mediante un espectrómetro de Bragg, midiendo su intensidad con una cámara de ionización. El efecto que se observó fue un aumento de la longitud de onda de un fotón cuando choca con un electrón libre y pierde parte de su energía. La frecuencia o la longitud de onda de la radiación dispersada depende únicamente del ángulo de dispersión.

11 Esquema La radiación generada por una fuente de rayos X es dispersada por el grafito. El colimador permite estudiar la radiación dispersada bajo un ángulo alfa. Por último , el cristal permite , mediante la reflexión de Bragg, estudiar la composición de la radiación dispersada.

12 Datos Para alfa=0 lo que aparece es un pico característico de la dispersión Thompson, de modo que la longitud de onda de la radiación dispersada es igual a la de la radiación de rayos X. Sin embargo, si aumenta el ángulo de dispersión , aparece un segundo pico a una longitud de onda diferente. Este segundo pico no se puede explicar con la teoría clásica. Al aumentar el ángulo aumenta la longitud de onda del segundo pico. Este corrimiento no depende del material , solo depende del ángulo

13 Explicación Todos estos hechos experimentales llevaron a Compton a pensar que el corrimiento en la longitud de onda se podía deber a los electrones menos ligados del grafito. Esta hipótesis permite justificar los dos hechos observados. Por un lado, para átomos pesados la proporción entre electrones fuertemente ligados y poco ligados es grande y por tanto es más probable que la radiación sea dispersada por un electrón fuertemente ligado. Compton consiguió explicar el corrimiento en la longitud de onda analizando la colisión entre un fotón y un electrón que está prácticamente libre y sale del átomo.

14 Explicación Compton consiguió explicar el corrimiento en la longitud de onda analizando la colisión entre un fotón y un electrón. Antes de la colisión el fotón tiene una energía hv y el electrón se encuentra en reposo. Tras la colisión el fotón tiene una energía hv’ y su dirección forma un álgulo alfa con la horizontal. Por su parte , el electrón tendrá una cantidad de movimiento p_e que forma un ángulo beta . Asumiendo que es una colisión elástica y por medio del principio de conservación demomentum y energía se llega a: λ ′ −λ= ℎ𝑐 𝑚 𝑒 𝑐 2 (1−𝑐𝑜𝑠𝛼)

15 Experimento Davisson y Germer
Davisson y Germer diseñaron y construyeron un aparato de vacío, con el fin de medir las energías de los electrones dispersados desde una superficie de metal. Los electrones procedentes de un filamento caliente, fueron acelerados por una tensión, y dirigidos para golpear una superficie de metal de níquel.

16 Esquema

17 Datos y observaciones El haz de electrones era dirigido al blanco de níquel, que podía girar para observar la dependencia angular de los electrones dispersados. Su detector de electrones (llamado caja de Faraday), fue montado sobre un arco, de modo que pudiera ser girado para observar los electrones en diferentes ángulos. Fue una gran sorpresa para ellos, encontrar que en ciertos ángulos había un pico en la intensidad del haz de los electrones dispersados. Este pico indicaba un comportamiento de onda en los electrones, y daba valores que podían ser interpretado por la ley de Bragg, sobre el espaciado reticular del cristal de níquel.

18 Datos y observaciones

19 Los datos experimentales de arriba, muestra picos repetidos de intensidad de electrones dispersados, con crecientes voltajes de aceleración. Estos datos fueron obtenidos con un ángulo de dispersión fijo. Utilizando la ley de Bragg, la expresión de la longitud de onda de De Broglie, y la energía cinética de los electrones acelerados dan la relación 1 𝑠 = n 2dsenθ =0,815 𝑉

20 Experimento Michelson y Morley
El experimento de Michelson y Morley fue uno de los más importantes y famosos de la historia de la física. Realizado en 1887 por Albert Abraham Michelson (Premio Nobel de Física, 1907) y Edward Morley, está considerado como la primera prueba contra la teoría del éter. El resultado del experimento constituiría posteriormente la base experimental de la teoría de la relatividad especial de Einstein.

21 Esquema

22 Descripción Se utilizó un interferómetro de Michelson, el cual divide la luz que emite un foco luminoso (un láser por ejemplo) en dos haces, los cuales rebotan en dos espejos y se vuelven a juntar. Dado que la luz es una onda, siempre que tengamos una fuente que solo emite una longitud de onda (es decir, un color muy definido), al volver a juntarse, los dos haces interferirán produciendo máximos y mínimos de intensidad. Que se forme uno u otro depende de la diferencia de caminos que hayan recorrido los dos haces, lo que normalmente se hace variando ligeramente la posición de uno de los espejos (las variaciones de la posición deberán de ser similares a la longitud de onda de la luz, lo cual lleva a que serán de unos cientos de nanómetros: una diez milésima de milímetro).  Sin embargo, tambien se puede lograr el mismo efecto si estas distancias permanecen fijas pero la velocidad del medio por el que viaja la luz varía en uno de los brazos. Así que variando la orientación de los brazos se debería observar un cambio en el patrón obtenido.

23 Resultados Finalmente, y usando un instrumento que tenía unos brazos de 11 metros de largo (imaginaos las dimensiones del aparatito) y colocado sobre una “piscina” de mercurio para minimizar los movimientos del aparato, ambos físicos realizaron medidas de lo que ocurría. Los resultados obtenidos en todas ellas fueron nulos: en ningún momento hubo ningún dato que apuntase a que la velocidad de la luz hubiera variado, o lo que es lo mismo, que el éter no tenía ninguna velocidad apreciable. Sin embargo, esto mismo fue lo que condujo a que fuera uno de los más importantes experimentos, ya que con estos resultados se comenzó a pensar que dicho éter podría no existir, y se planteó que la luz podría viajar en el vacío, sin ningún medio de por medio, lo cual derivó finalmente en la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein, donde ya se impuso la no existencia de dicho éter.

24 Bibliografía recursostic.educacion.es