Compendio de Experimentos clásicos de Física Moderna Joan Camilo Poveda Fajardo G1E21Joan 2015

Cuantización de la Energía Para analizar los niveles de energía se plantea el experimento: 1. utilizamos un tríodo, compuesto de un  cátodo , de una rejilla polarizada y de un ánodo , que crea un haz de electrones en un tubo de vacío que contiene mercurio gaseoso. 2. Medimos entonces la variación de la corriente recibida por el ánodo con arreglo a la energía cinética  de los electrones. 3. Podemos deducir las pérdidas de energía de los electrones en el momento de las colisiones. Se realizó por primera vez en 1914 por James Franck y Gustav Ludwig Hertz. Tiene por objeto probar la cuantización de los niveles de energía de los electrones en los átomos.

Experimento El tríodo está contenido dentro de una cápsula de vidrio que contiene mercurio. Puede realizarse a diferentes temperaturas lo cual produce resultados interesantes debido a los cambios de estados que presenta el mercurio ya que a los 630 K, el mercurio se vuelve gaseoso. Pero para evitar tener que alcanzar tal temperatura, se trabaja a una presión reducida dentro de la cápsula y se calienta entre 100 y 200 °C. Para que los electrones se alejen del átomo y para que tengan una velocidad bastante importante, se utiliza una tensión entre el cátodo y la rejilla, una tensión de aceleración.

Resultados Para diferencias de potencial bajas - hasta 4,9 V- la corriente a través del tubo aumenta constantemente con el aumento de la diferencia potencial. Con el voltaje más alto aumenta el campo eléctrico en el tubo y los electrones fueron empujados con más fuerza hacia la rejilla de aceleración A los 4,9 voltios la corriente cae repentinamente, casi de nuevo a cero. La corriente aumenta constantemente de nuevo si el voltaje se sigue aumentando, hasta que se alcanzan 9.8 voltios (exactamente 4.9+4.9 voltios). En 9.8 voltios se observa una caída repentina similar. Esta serie de caídas en la corriente para incrementos de aproximadamente 4.9 voltios continuará visiblemente hasta potenciales de por lo menos 100 voltios

Efecto Fotoeléctrico Consiste en la emisión de electrones por un material cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). A veces se incluyen en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia:

En 1922 era evidente que la luz presentaba una naturaleza doble En 1922 era evidente que la luz presentaba una naturaleza doble. Los fenómenos de interferencia permiten determinar sin lugar a dudas su longitud de onda. Además en medios más refringentes la luz refractada se acerca a la normal y disminuye de velocidad, lo cual es una indicación fija de su naturaleza ondulatoria. Por otro lado el fotón interacciona con los electrones de acuerdo con las reglas del choque elástico entre dos partículas. El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad.

Resultados Como se puede observar en las gráficas obtenidas , a medida que se aumenta la longitud de onda incidente en la placa de Rb se aumenta la velocidad en la que se desprenden los electrones además de que aumenta la cantidad de los mismos. Además cuando se tiene una diferencia de potencial alta (250 V ) entre ambas placas , los electrones se resisten a pasar de un lado a otro , devolviéndose a la placa de Rb .

Efecto Compton Consiste en el 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. El Efecto Compton fue estudiado por el físico Arthur Compton en 1923, quién pudo explicarlo utilizando la noción cuántica de la radiación electromagnética como cuantos de energía y la mecánica relativista de Einstein. El efecto Compton constituyó la demostración final de la naturaleza cuántica de la luz tras los estudios de Planck sobre el cuerpo negro y la explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico.

La variación de longitud de onda de los fotones dispersados, , puede calcularse a través de la relación de Compton: Donde: h : es la constante de Planck. me : es la masa del electrón. C : es la velocidad de la luz. θ : el ángulo entre los fotones incidentes y dispersados. Esta expresión proviene del análisis de la interacción como si fuera una colisión elástica y su deducción requiere únicamente la utilización de los principios de conservación de energía y momento. La cantidad  = 0.0243 Å, se denomina longitud de onda de Compton. Para los fotones dispersados a 90°, la longitud de onda de los rayos X dispersados es justamente 0.0243 Å mayor que la línea de emisión primaria.

Davisson and Germer (Propiedades ondulatorias de la materia) La dualidad onda-corpúsculo no ocurre solamente para la radiación electromagnética sino que es algo universal. En su tesis doctoral Broglie propuso que se podrían unificar los comportamientos de la radiación y la materia si no solo asociamos propiedades corpusculares a la radiación, si no que también asociamos propiedades ondulatorias a las partículas. Con una partícula de masa muy pequeña como un electrón se podría en principio observar su naturaleza ondulatoria , haciendo que tenga un momento lineal pequeño y por tanto que tenga una longitud de onda apreciable como para permitir observar fenómenos de difracción o interferencia. Para ello se busca un aparato de dimensiones similares a la longitud de onda .

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. 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. Experimento

Resultados Era necesario confirmar experimentalmente la existencia de las ondas de De-Broglie. A Davisson y Germer, quienes estudiaban las superficies pulidas de níquel con la ayuda de un haz de electrones, les ocurrió un "afortunado" accidente cuando se les rompió uno de los recipientes de equipo de vacío. En el suceso el níquel se cristalizo de tal manera que conformó un dispositivo de difracción adecuado para las ondas de De-Broglie.  Davisson y Germer analizaron el patrón obtenido para los electrones como si se tratara de una reflexión de Bragg con una onda electromagnética , obteniendo un valor de la longitud de onda que coincidía con el que predicen las relaciones de Brgolie Einstein.

Michelson-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 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.

Experimento El propósito de Michelson y Morley era medir la velocidad relativa a la que se mueve la Tierra con respecto al éter. En un edificio cercano al nivel del mar, Michelson y Morley construyeron lo que se conoce como el interferómetro de Michelson. Se compone de una lente semiespejo, que divide la luz monocromática en dos haces de luz que viajan en un determinado ángulo el uno respecto al otro. Con esto se lograba enviar simultáneamente dos rayos de luz (procedentes de la misma fuente) en direcciones perpendiculares, hacerles recorrer distancias iguales (o caminos ópticos iguales) y recogerlos en un punto común, en donde se crea un patrón de interferencia que depende de la velocidad de la luz en los dos brazos del interferómetro. Cualquier diferencia en esta velocidad (provocada por la diferente dirección de movimiento de la luz con respecto al movimiento del éter) sería detectada.

Resultados Irónicamente, tras toda esta preparación, el experimento fue fallido, aunque exitoso. En vez de mostrar las propiedades del éter, no se produjo ninguna alteración de velocidad de la luz y, por tanto, ninguno de los efectos que el "viento del éter" tenía que producir. El aparato se comportó como si no hubiese "viento del éter". Este asombroso resultado no podía ser explicado por la teoría de las ondas vigente en la época. Se intentaron muchas explicaciones, como que la Tierra arrastraba de alguna forma al propio éter, pero todas ellas resultaron ser incorrectas. Ernst Mach fue uno de los primeros físicos en considerar que el resultado del experimento era correcto y sugirió una nueva teoría. Las investigaciones iniciadas a raíz del experimento llevaron a una teoría alternativa consistente, la contracción de Lorentz , que explicaba el resultado nulo obtenido. El desarrollo de esta teoría desembocó en la relatividad especial de Einstein.