Experimentos clásicos de la física moderna Universidad Nacional de Colombia Fundamentos de física moderna Nicolás Galindo Gutiérrez Código: 25472096 G1E09Nicolas Experimentos clásicos de la física moderna

Se puede llegar a asegurar que toda la construcción científica que gira entorno a la física se ha logrado gracias a uno de sus pilares fundamentales el cual es la experimentación, toda teoría aceptada en nuestros días debió haber pasado por la prueba de la experimentación y la reproducción, y asimismo que sus resultados concuerden con todo un modelo teórico que se crea a su alrededor. Dentro de los experimentos que hicieron eco en la historia de la física moderna exploraremos: Frank-Hertz (cuantización de la energía) Efecto Fotoeléctrico (dualidad de la luz) Efecto Compton (universalidad de la dualidad de la luz) Davisson and Germer (Propiedades ondulatorias de la materia) Michelson-Morley (Inexistencia del Eter )

Experimento de Franck y Hertz (1914) 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). James Franck 1952 Gustav Hertz

Los electrones fueron acelerados por un voltaje hacia una rejilla cargada positivamente, dentro de un recipiente de cristal lleno de vapor de mercurio. Más allá de la rejilla, había una placa recolectora, mantenida a un pequeño voltaje negativo respecto de la rejilla. Los valores de los voltajes de aceleración donde la corriente disminuyó, dieron una medida de la energía necesaria para forzar el electrón a un estado excitado.  Espectro de emisión de un gas. Imagen tomada de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/FrHz.html

Efecto fotoeléctrico Heinrich Hertz Albert Einstein Hertz fue el primero en descubrir este fenómeno observando que una chispa saltaba más fácilmente en el espacio de dos cuerpos conductores cuando una de estas superficies recibía iluminación. La importancia de la interpretación que Einstein le dio al efecto fotoeléctrico radica en que se le está denotando a la luz una naturaleza corpuscular, es decir un comportamiento de partícula, cosa que hasta ese momento se había podido llegado a pensar, pero que no había tenido bases suficientemente sólidas para que esta teoría fuera aceptada. Es el fenómeno que ocurre cuando hay emisión de electrones en un material (en particular metales) debido a que un haz de luz, o sea radiación electromagnética incide sobre él. En el efecto fotoeléctrico se tiene un proceso de colisión inelástica entre dos partículas, un fotón y un electrón, en el cual el fotón cede toda su energía al electrón. Heinrich Hertz   Albert Einstein

Arreglo experimental

Efecto Compton Confirmo la dualidad onda-partícula. Con un haz de rayos X monocromático (una sola frecuencia) incide sobre un blanco de grafito donde es dispersado por el blanco a diferentes ángulos con respecto a su dirección incidente. La explicación es que los fotones sobre el material que sirve de blanco realizan colisiones entre éstos y los electrones. Como consecuencia el fotón cede parte de su energía y emerge con una energía menor, o sea, una longitud de onda mayor. Arthur Holly Compton 

Efecto Compton Confirmo la dualidad onda-partícula. Con un haz de rayos X monocromático (una sola frecuencia) incide sobre un blanco de grafito donde es dispersado por el blanco a diferentes ángulos con respecto a su dirección incidente. La explicación es que los fotones sobre el material que sirve de blanco realizan colisiones entre éstos y los electrones. Como consecuencia el fotón cede parte de su energía y emerge con una energía menor, o sea, una longitud de onda mayor. Arthur Holly Compton 

La radiación generada por la fuente de rayos X es dispersada por el grafito. El colimador permite estudiar la radiación dispersada por el Angulo  α . Por ultimo, el cristal permite, mediante reflexión de Bragg, estudiar la composición de la radiación dispersada en longitudes de onda. Los resultados experimentales fueron los siguientes:

Davisson and Germer (Propiedades ondulatorias de la materia) El experimento de Davisson-Germer demostró la naturaleza ondulatoria de los electrones, confirmando la hipótesis anterior de Broglie. Poner la dualidad onda-partícula sobre una base firme experimental, representó un gran paso adelante en el desarrollo de la mecánica cuántica. Davisson-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.

Resultados 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. Los datos experimentales 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.

Experimento de Michelson y Morley En el siglo XIX se creía que al igual que el sonido y las olas la luz también necesitaba de un medio físico para propagarse, en base a esto se propuso la existencia de un éter transportador de luz. Siguiendo la lógica de este postulado si el éter existía debía ser medible de alguna manera. Michelson y Morley se idearon un experimento que (supuestamente) serviría para probar su existencia Edward Morley Abraham Michelson

 Experimento No se sabía si este éter estaría en reposo o la velocidad que tendría, pero dado que la Tierra gira en torno al Sol (en un año da una vuelta), la velocidad del éter respecto al de la Tierra cambiará a lo largo del año, y esto produciría ligeros cambios en la imagen que nos da la luz. Para ello, 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.

Interferómetro de Michelson: A - Fuente de luz Monocromática B - Espejo semirreflectante C – Espejos D - Diferencia de camino. Interferómetro de Michelson. Imagen tomada de https://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Michelson_y_Morley#/media/File:Interferometre_Michelson.svg

Espacio-tiempo. Concepto fundamental en la teoría de la relatividad  Resultados 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. 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. Espacio-tiempo. Concepto fundamental en la teoría de la relatividad

Bibliografías Barco, Héctor. Rojas, Edilberto. Electromagnetismo y Física Moderna. Tercera edición. Editorial Universidad Nacional. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/FrHz.html http://www.uco.es/hbarra/FisicaCuantica/apuntes/0103.pdf http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/quantum/DavGer2.html https://universocuantico.wordpress.com/2009/06/14/experimento-de-michelson-morley/