UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRAFACULTAD DE CIENCIAS BASICAS

DEPARTAMENTO DE FSICALABORATORIO DE FISICA 3

GRUPO 5LABORATORIO 9:EXPERIMENTO DE FRANCK - HERTZ

SUB GRUPO 3OSCAR QUICENOOSCAR MANSO

ENTREGADO A : ING. JOS GMEZ ESPNDOLA

Monitores: Estefana OrozcoJavier Pinzn

FECHA DE REALIZACION: 9 De abril de 2015FECHA DE ENTREGA: 16 de abril de 2015

1.1Objetivos1.1. Estudiar la cuantizacion de la energa en choques inelasticos 1.2. Determinar las caractersticas ms importantes del experimento de Franck - Hertz. 1.3. Determinar la longitud de onda de la primera lnea de excitacin de los tomos de mercurio.2.Fundamento TericoEl descubrimiento de que la luz se propaga a travs del espacio vaco y pueda ser emitida o absorbida por la materia solo como paquetes discretos de energa, llamados tambin cuantos de luz, influyo profundamente sobre el estudio de la estructura de los tomos. El contenido energtico de estos paquetes de energa es E = h donde es la frecuencia de la radiacin emitida y h la constante de

Planck. Tambin Niels Bohr en 1913 contribuyo a entender la estructura atmica de la materia al proponer un modelo para el tomo cuyas predicciones fueron corroboradas posteriormente en 1914 por James Franck y Gustav Hertz quienes realizaron un experimento de bombardeo electrnico cuyos resultados estaban de acuerdo con dicho modelo y la teora cuntica. Frank y Hertz demostraron a travs del estudio de colisiones entre electrones y molculas de gas, que la energa de interacciones atmicas esta cuantizada. Por este trabajo en 1925 recibieron el premio Nobel de Fsica. Un diagrama simplificado del experimento de Franck - Hertz se muestra en la Figura 9.2 En un tubo al vaco el cual es calentado por un horno, se tiene vapor de mercurio; los electrones son emitidos por un ctodo previamente calentado y son acelerados hacia una rejilla la cual esta a un potencial Va relativo al ctodo. Cerca de ella esta el nodo el cual est a un potencial Vp ligeramente menor que el de la rejilla: Vp = Va Dv con Dv = 1, 5V . Si los electrones acelerados tienen suficiente energa cuando lleguen a la rejilla, algunos lograran acercarse al nodo y sern medidos como corriente Ic por el ampermetro. Si los electrones no tienen la suficiente energa al acercarse a la rejilla sern detenidos por el potencial Dv y quedarn en la rejilla. As Ic pasa a travs de una serie de mximos y mnimos cuando el potencial acelerador vari ya que Ic crece con dicho potencial. Por tanto las molculas del gas absorben energa de los electrones solo cuando estos portan cantidades especficas de energa; llamadas de resonancia. Para el mercurio, el primer estado excitado es el de 4,9 eV por encima de su estado fundamental o base. Cuando el potencial acelerador Va de los electrones sea menor de 4,9 V, las colisiones electron- molcula sern elsticas y los electrones no cedern energa al gas de mercurio, llegando a la rejilla con energa cintica igual a eVa . Cuando Va sea igual a 4,9 V los electrones tendrn suficiente energa cintica para cederla en un choque inelstico con las molculas del gas de mercurio. Entonces los tomos de mercurio absorbern completamente los 4,9 eV que tienen los electrones, los cuales no tendrn energa suficiente para superar el potencial retardador Dv y sern detenidos por la rejilla. La corriente hacia el nodo Ic presentara as un mnimo. Al aumentar el potencial acelerador Va por encima de 4,9 V, Ic aumentara de nuevo; sin embargo cuando Va alcance 9,8 V, los electrones pueden perder toda su energa en dos colisiones con las molculas del gas e Ic ser nuevamente mnima. Debido a estas mltiples colisiones inelsticas Ic presentar a mnimos cada vez que Va sea mltiplo entero de 4,9 V.3 CANTIDADES FISICAS MEDIDAS EN EL LABORATORIO3.1 Temperatura: es unamagnitudreferida a las nociones comunes decaliente, tibio ofroque puede ser medida con untermmetro. En fsica, se define como unamagnitud escalarrelacionada con laenerga internade un sistema termodinmico, definida por elprincipio cero de la termodinmica. Ms especficamente, est relacionada directamente con la parte de la energa interna conocida como energa cintica, que es la energa asociada a los movimientos de las partculas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma devibraciones.3.2 Tensin : es unamagnitud fsicaque cuantifica la diferencia depotencial elctricoentre dos puntos. Tambin se puede definir como eltrabajopor unidad decargaejercido por elcampo elctricosobre unapartculacargada para moverla entre dos posiciones determinadas.3.4 tiempo: es unamagnitud fsicacon la que medimos la duracin o separacin de acontecimientos, sujetos a cambio, de los sistemas sujetos a observacin; esto es, el perodo que transcurre entre el estado del sistema cuando ste presentaba unestadoX y el instante en el que X registra una variacin perceptible para unobservador(o aparato de medida).4 PATRON DE MEDIDA DE LAS CANTIDADES FISICAS4.1 celcius: es la unidadtermomtricacuyo 0 se ubica 0,01 grados por debajo delpunto tripledelaguay su intensidad calrica equivale a la delkelvin.El grado Celsius pertenece alSistema Internacional de Unidades, con carcter de unidad accesoria, a diferencia delkelvin, que es la unidad bsica de temperatura en dicho sistema.4.2 volt: El voltio se define como ladiferencia de potencialexistente entre dos puntos tales que hay que realizar untrabajode 1joulepara trasladar del uno al otro lacargade 1Culomb. Puede ser expresado en las unidades bsicas delSI(m,kg,s, yA) como:

4.3 segundos: Un segundo es la duracin de 9192631770 oscilaciones de la radiacin emitida en la transicin entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental delistopo133 del tomo decesio(133Cs), a una temperatura de 0K.5 DESCRIPCION DEL EQUIPO5.1Equipo PHYWE: En este experimento se utiliza un tubo de Franck - Hertz montado en un horno. La temperatura se puede ajustar usando un termostato que viene en la parte lateral del horno y se puede medir mediante un termmetro previamente insertado por el orificio de la tapa superior del mismo. Ver figura 9.1fig.9.15.2 Osciloscopio de Doble Canal. Elosciloscopioes un instrumento que proporciona una representacin visual (tensin vs tiempo) de la seal aplicada su entrada.

5.3 termmetro: es uninstrumento de medicindetemperatura. Desde su invencin ha evolucionado mucho, principalmente a partir del desarrollo de lostermmetros electrnicos digitales.Inicialmente se fabricaron aprovechando el fenmeno de ladilatacin, por lo que se prefera el uso de materiales con elevadocoeficiente de dilatacin, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fcilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de termmetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.

6 ProcedimientoLa corriente del filamento, el voltaje de aceleracin Va, el voltaje de frenado Dv y el amplificador de la corriente del nodo, vienen dispuestos en la misma unidad de control. Ver figura (9.3) Los valores de potencial aplicado y la respectiva corriente en el nodo pueden leerse en el osciloscopio. .6.1 Calentamiento del Horno6.1.Conecte el horno a 110 V corriente alterna.6.1.2. Encienda el horno con el interruptor que est en el cable de conexin. Ajuste la perilla del termostato (alrededor de 150oC). Observe que el bulbo del termmetro est cerca al centro del tubo. Espere de 10 a 15 minutos a que la temperatura se eleve aproximadamente a 170oC. Nunca ms all de 200oC.6.1.3. Encienda la unidad de control .6.1.4. Una vez se alcance los 170oC ajuste la perilla HEATER a 5,5 V y espere 90 segundos para que se caliente.6.1.5. Aplique el voltaje de frenado Dv = 1, 5 V, mediante la perilla REVERSE BIAS, entre la rejilla y el nodo.6.1.6. Encienda el osciloscopio.6.17. En la unidad de control pase el interruptor que est debajo de la perilla del voltaje acelerador Va, a la posicin RAMP.6.1.8. Ajuste la perilla de amplitud a la mitad.6.1.9. Los canales X e Y del osciloscopio deben estar en una escala aproximadamente de 0,5 V/cm . Gire las perillas de calibracin completamente a la derecha.6.1.10. Eleve lentamente el voltaje acelerador Va a partir de 0 V. y observe en la pantalla del osciloscopio la curva que se forma. Cuente los mnimos. El potencial acelerador no debe sobrepasar los 30V. Obtenga al menos 5 mnimos dentro de este rango de voltaje.6.1.11. Mida la diferencia de potencial entre mnimos de la curva.NOTA: La entrada al canal Y del osciloscopio es proporcional a la corriente. La entrada al canal X es igual al voltaje aplicado dividido por 10, o sea V/10. ( Vea el panel de la unidad de control).

7. ANALISIS7.1. Qu caractersticas presenta la curva observada en el osciloscopio? Este diagrama representa mximos y minimos de la corriente cada 5.1 eV aproximadamente, y cada periodo de la Ic va aumentando7.2Se produce un cambio en el valor de un mnimo cuando vara el potencial acelerador?Cuando el voltaje acelerador comienza desde el origen y va aumentando, la intensidad tambin aumenta asta llegar un mximo, donde ceder energa cintica a un tomo de mercurio. Esto se da cuando el voltaje acelerador es es de 4.9 V. los atomos que no tienen su ficiente energa sern retenidos por Dv en la rejilla y esto nos dara un minimo de Ic .7.3. Por qu cambia el valor de los mximos y de los mnimos cuando aumenta el potencial acelerador?El valor de los mnimos y los mximos cambia porque en la primera fase que es hasta 4.9 v se presenta solo un choque inelstico de las molculas de Hg, donde los electrones pierden su energa presentando el primer mnimo, luego el potencial acelerador se aumenta a 9.8 v donde las molculas de Hg chocarn con los electrones que poseen 4.9 eV, donde los otros electrones pararn con la rejilla, en la cual se presentar un segundo choque con las molculas de Hg, all absorbern los 4.9 eV que posean los electrones encontrndose as otro mnimo de Ic.7.4. Cul es el significado de la diferencia de potencial entre los mnimos medidos?Representa el valor de la energa cedida a los tomos de mercurio7.5Determine el valor medio de la diferencia de potencial entre los mnimos medidos en la curva?

MINIMOSDISTANCIA (V)

1-25

2-35

3-45

4-55

5-65

.El valor medio va hacer de 5.026 de la diferencia de potencial.

7.6. Compare este valor con el valor esperado.

7.7. Con sus datos calcule la energa de excitacin del tomo de mercurio, la frecuencia y la longitud de onda correspondiente.R/Contenido energtico: E = hv

Frecuencia de radiacin emitida v = c/, donde c = 3.x 10 m/s longitud de onda.

h.= 6.625 x 10 j. SegDe las ecuaciones e / h = c / = c*h /e (1)E= ev

= (3.x 10 x 6.625 x 10 )/5.026 x 1.6022 x 10

= 2.468129 x 10mEnerga de excitacin del tomo de mercurio v= c/

V= (3.x 10 m/s )/( 2.468129 x 10m)= 1.215495 1/seg

E = 6.625 x 10 j. seg x 1.215495 x 10 1/seg

E = 8.0526543x 10 7.8. Compare la longitud de onda hallada con el valor conocido de 253,7 nm.R/

Longitud de onda hallada =2.468129 x 10mLongitud de onda conocida 253.7 nm

8 Preinforme.8.1. Explique brevemente en que consiste el modelo de Bohr del tomo. es un modelo clsico del tomo, pero fue el primermodelo atmicoen el que se introduce unacuantizacina partir de ciertos postulados. Fue propuesto en1913por el fsico dansNiels Bohr, para explicar cmo loselectronespueden tenerrbitas establesalrededor delncleoy por qu los tomos presentaban espectros de emisin caractersticos (dos problemas que eran ignorados en elmodelo previo de Rutherford). Adems el modelo de Bohr incorporaba ideas tomadas delefecto fotoelctrico, explicado porAlbert Einsteinen1905.8. 2. A qu se denomina estado fundamental o estado base de un tomo? Elestado fundamentalde un sistemamecnico cunticorepresenta a suestadodeenergams bajo posible; la energa del estado fundamental se conoce tambin como laenerga de punto cerodel sistema. Porestado excitadose entiende a cualquier estado con energa superior a la del estado fundamental. El estado fundamental enteora cuntica de camposse conoce comnmente comovaco cunticoovaco.8. 3. A qu se denomina lneas de excitacin del tomo?. El estado excitado de un elemento es cuando se le suministra energa y algunos de sus tomos pasan a un nivel de energa mayor. El mismo ejemplo para el Ca1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s1, 3d1Aqu se ve claramente cmo uno de lso electrones del calcio pasan a un nivel de energa mayor. No importa que slo haya un electrn en el 4s, ya que no viola ninguna de las reglas para las configuraciones (de hecho en este caso atiende a la regla de "mxima estabilidad de lo orbitales" que dice: los orbitales son ms estables cuando estn totalmente llenos o semilleros).