Compendio de Experimentos Clásicos de la Física Moderna Ana María Morales Coronado G1E16Ana

Frank-Hertz (cuantización de la energía) El experimento de Franck y Hertz se realizó por primera vez en 1914, es uno de los experimentos claves que ayudaron a establecer la teoría atómica moderna. Nos muestra que los átomos absorben energía en pequeñas porciones o cuantos de energía, confirmando los postulados de Bohr.

Un tubo que contiene vapor de mercurio a baja presión con el que se realiza el experimento. El cátodo caliente emite electrones con una energía cinética casi nula. Ganan energía cinética debido a la diferencia de potencial existente entre el cátodo y la rejilla. Durante el viaje chocan con los átomos de vapor de mercurio y pueden perder energía. Los electrones que lleguen a la rejilla con una energía cinética de 1.5 eV o más, impactarán en el ánodo y darán lugar a una corriente Ic. Los electrones que lleguen a la rejilla con una energía menor que 1.5 eV no podrán alcanzar el ánodo y regresarán a la rejilla. Estos electrones no contribuirán a la corriente Ic.

La corriente Ic presenta varios picos espaciados aproximadamente 4 La corriente Ic presenta varios picos espaciados aproximadamente 4.9 eV. El primer valle, corresponde a los electrones que han perdido toda su energía cinética después de una colisión inelástica con un átomo de mercurio. El segundo valle, corresponde a electrones que han experimentado dos colisiones inelásticas consecutivas con átomos de mercurio, y así sucesivamente.

Conforme V aumenta, partiendo del origen, la intensidad I también va aumentando, un resultado esperable, puesto que los electrones tendrán cada vez más energía cinética y, en consecuencia, un mayor número de ellos podrá superar el potencial retardador y contribuir a la corriente. Si los electrones se involucraran tan sólo en colisiones elásticas con los átomos de Hg en el tubo, de forma que sólo experimentasen desviaciones de su trayectoria, sin intercambiar energía, la corriente I debería seguir creciendo de forma continua al hacerlo V, lo que proporcionaría la gráfica de una función monótonamente creciente e igual para cualquier gas en el tubo. Sin embargo, lo que se observa es una gráfica donde la intensidad I experimenta bruscas caídas para algunos de los valores del potencial V, valores que depende del gas específico presente en el tubo. La explicación del fenómeno es que se están produciendo colisiones inelásticas entre los electrones que se desplazan hacia el ánodo y los átomos del gas presente, de manera que el electrón pierde parte de su energía cinética

Efecto Fotoeléctrico (dualidad de la luz) en 1902, Philipp Lenard, ayudante de Hertz, llevó a cabo un estudio experimental sistemático del efecto fotoeléctrico y descubrió que también se producía al ubicar un tubo de vacío que contiene dos electrodos conectados a un circuito externo, con la lámina metálica cuya superficie va a ser irradiada como el ánodo. Algunos de los fotoelectrones que emergen de la superficie irradiada tienen energía suficiente para alcanzar el cátodo, a pesar de su polaridad negativa, y constituyen la corriente que se mide en el amperímetro del circuito. A medida que aumenta el potencial de frenado V, menos electrones llegan al cátodo y la corriente disminuye.

Efecto Compton (universalidad de la dualidad de la luz) 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. 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.

R es la lámina del material dispersor (en el caso de las experiencias de Compton se 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. De esta manera para cada ángulo de dispersión (θ) en la muestra R se mide la intensidad de los RX en función de la longitud de onda λ (barrida por el espectrómetro de Bragg).

La longitud de onda de los RX incidentes sobre R era λ0= 0 La longitud de onda de los RX incidentes sobre R era λ0= 0.708 x 10-10 m. Entonces se observaba que la longitud λ1 dependía del ángulo de dispersión θ, pero era independiente del material dispersor.

Davisson y Germer (Propiedades ondulatorias de la materia) Davisson y Germer pusieron de manifiesto la naturaleza ondulatoria de las partículas al observar el fenómeno de la difracción con electrones, haciendo incidir un haz de electrones, todos de la misma energía, sobre una red cristalina de níquel, obteniendo un patrón de difracción similar al que se observa con la radiación electromagnética. 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 predice las relaciones de Broglie – Einstein.

Michelson-Morley (Inexistencia del Eter y v=c) Se consideró al interferómetro fijo a la tierra, si se imagina al “éter” fijo al sol, entonces la tierra (y con ella el interferómetro) se movían a través del éter a una velocidad de 30 km/seg En el laboratorio se considera una fuente de luz (S, fija con respecto al instrumento) que emite un haz (ondas planas o haces paralelos).

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.

De acuerdo al razonamiento teórico, la rotación debería causar un corrimiento de las rayas del espectro de interferencias ya que ésta modifica la relación de fases que hay entre los haces. Sin embargo a través de la experiencia no hubo ningún corrimiento de franja. Esto demostró la inexistencia del éter.

Bibliografía http://wdb.ugr.es/~bosca/Old_Fisica-Cuantica/?p=32 http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/frankHertz/frankHertz.htm http://fismoderna.wikispaces.com/Efecto+Fotoel%C3%A9ctrico http://www2.fisica.unlp.edu.ar/materias/fisicacuantica/Ap1%20Compton%20y%20absorcion%20de%20Rx.pdf http://www.ugr.es/~bosca/WebFCenRed/indexFC_archivos/c3-s2.pdf http://www.lfp.uba.ar/es/notas%20de%20cursos/notasmecanicacuantica/06DeBroglie.pdf