Compendio de experimentos clásicos de la Física Moderna Juan Pablo Sánchez Grupo 1-31 Fundamentos de Física Moderna Universidad Nacional de Colombia

El experimento de Frank Hertz (cuantización de la energía) El objetivo del experimento, realizado en 1914 por James Franck y Gustav Hertz, era demostrar el concepto de la cuantización de los niveles de energía de acuerdo al modelo atómico de Bohr. Para ello se emplea el siguiente arreglo experimental: Figura 1 y 2: Arreglo experimental para el experimento de Frank Hertz. El montaje consiste de un tubo que contiene gas a bajas presiones, con tres electrodos montados en su interior: Un cátodo para la emisión de electrones, una malla para acelerar los electrones y una bandeja de recolección. La figura 2 muestra los resultados del experimento obtenidos para el mercurio (Hg). Utilizando emisión termiónica, los electrones son emitidos del cátodo izquierdo hacia la malla positiva, la cual los acelera y los dirige hacia la bandeja negativa. Los electrones que consigan llegar a la bandeja con suficiente energía son medidos como corriente en el amperímetro, mientras que el resto se quedan en la malla. Esto demuestra la existencia de niveles discretos de energía en el átomo. ¿Cómo funciona?

El efecto foteléctrico (dualidad de la luz) Cuando se irradia un metal utilizando haces de luz de diferentes longitudes de onda por medio de lámparas especiales, este absorberá una cantidad determinada de energía que posteriormente, hará que algunos electrones del metal salgan disparados como fotones por la diferencia de energía. Existen algunas consideraciones al respecto: Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación. La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones. Adicionalmente, este experimento demuestra el carácter corpuscular de la luz, propuesto por Einstein. El objetivo del experimento realizado por Hertz y Hallwachs a finales del siglo XIX era determinar la energía de arranque de los electrones de un metal, y el valor de la constante de Planck. Figura 3: Arreglo experimental para la demostración del efecto fotoeléctrico. ¿Cómo funciona?

Efecto Compton (Universalidad de la dualidad de la luz) ¿Cómo funciona? Se disparan rayos X de un tubo de RX con blanco de molibdeno (Mo), los cuales son dispersados a un ángulo θ por una lámina dispersora R de grafito. La lámina R funciona como un colimador que refina los haces de rayos X en uno solo, para obtener siempre una lectura confiable de la longitud de onda de los mismos. Finalmente, el haz es detectado por un espectrómetro de Bragg que lo analiza y lo redirige a una cámara de ionización para medir su intensidad. Estos son los resultados: El objetivo del experimento realizado por Arthur H. Compton en 1920 era demostrar la dualidad onda-partícula de la radiación electromagnética. Esto lo logró cuando en los resultados de su experimento, se evidenciaban dos picos de intensidad de energía que se separaban más y más al aumentar el ángulo de dispersión, independientemente del material dispersor. Este efecto se origina a partir de la colisión entre un fotón en movimiento y un electrón en reposo. Figura 4 y 5: Montaje experimental y resultados del Efecto Compton.

Davisson y Germer (Propiedades ondulatorias de la materia) ¿Cómo funciona? Usando un emisor termiónico, se emiten electrones, los cuales son acelerados por un campo eléctrico del orden de los 50 eV hacia un cristal de niquel monocristalizado en dirección normal al mismo. El dispositivo permite medir la distribución angular del haz emergente o electrones reflejados, a través de la intensidad de la corriente medida en el detector en función del ángulo. Se encontró que esta distribución mostraba máximos y mínimos dependiendo del ángulo de esparcimiento, de forma muy similar a los resultados conocidos para los rayos X y justificados por la ley de Bragg. Con esto se demostró que las partículas pueden comportarse como ondas así como las ondas pueden comportarse como partículas (Compton). Figura 6 y 7: Montaje experimental de Davisson y Germer para comprobar la teoría de Bragg (1927).

El interferómetro de Michelson 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 se tenga 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. Michelson y Morley (Inexistencia del éter y v=c) ¿Cómo funciona? Figura 8 y 9: Montaje de un interferómetro de Michelson real y uno esquemático. El objetivo del experimento de Michelson y Morley era determinar si en realidad existía aquello conocido como éter: Aquel medio por el cual se propagaban las ondas en el espacio y en esos lugares donde aparentemente no hay nada.

Referencias Figura 1: Figura 2: Figura 3: Figura 4: Figura 5: Figura 6: Figura 7: Figura 8: Referencia 1: Referencia 2: Referencia 3: Referencia 4: Referencia 5: