COMPENDIO DE EXPERIMENTOS CLÁSICOS DE LA FÍSICA

MODERNANombre: Camilo Andrés Vargas Jiménez

-G2E32Camilo-

09/06/2015

COMPENDIO DE EXPERIMENTOS CLÁSICOS

DE LA FÍSICA MODERNA

1. Frank-Hertz (cuantización de la energía)

2. Efecto Fototeléctrico (dualidad de la luz)

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

4. Davisson and Germer (Propiedades ondulatorias de la materia)

5. Michelson-Morley (Inexistencia del Eter y v=c)

EXPERIMENTO FRANK – HERTZ CUANTIZACIÓN DE LA ENERGÍA - 1914

Demostración de la existencia de los estados estacionarios discretos postulados porla teoría del átomo de Bohr fue proporcionada, por primera vez, por un experimentodiseñado por James Franck y Gustav Hertz en 1914.Este experimento analiza la transferencia de energía por la colisión de un electrón y un átomo, poniendo en evidencia el carácter discreto de los niveles energéticos internos de un átomo. Más específicamente, su objetivo es la medida de la diferencia de energía entre el nivel fundamental y el primer estado excitado.

Figura . Dispositivo experimental empleado en el experimento de Franck- Hertz

Figura Colisiones elásticas de electrones de energía con un átomo de mercurio en reposo.

EXPERIMENTO FRANK – HERTZ CUANTIZACIÓN DE LA ENERGÍA - 1914

EFECTO FOTOELECTRICO DUALIDAD DE LA LUZ- 1887

• La teoría ondulatoria sugiere que se liberarán electrones con una energía cinética mayor, a medida que la luz que incide sobre el metal se hace más intensa, sin embargo los experimentos mostraron que la máxima energía cinética posible de los electrones emitidos sólo depende de la frecuencia de la luz incidente y no de su intensidad.

• La teoría ondulatoria sugiere que cualquier radiación será capaz de arrancar fotoelectrones de la superficie metálica si tiene la intensidad suficiente, sin embargo, los experimentos demuestran que sólo la radiación con una frecuencia mayor a un cierto valor mínimo (frecuencia de corte) arranca electrones.

• La teoría ondulatoria sugiere que para arrancar los primeros electrones debe transcurrir un tiempo (llamado tiempo de retardo) en el cual el electrón acumula un mínimo de energía necesaria para poder desprenderse de la superficie, sin embargo, los experimentos demuestran que los electrones son arrancados casi instantáneamente.

Albert Einstein

Recurriendo a la hipótesis de Planck, Einstein consideró la luz como un conjunto de "proyectiles", que cuando chocan contra un electrón libre del metal le entregan su energía, y si tienen la cantidad suficiente, el electrón es expulsado del metal, en caso contrario (por debajo de una determinada frecuencia de corte), no logran arrancar electrones.

foton kE E

Es la energía mínima para desprender un electrón

0h

Es la frecuencia de corte por debajo de el no hay emisión0

2

mvhh

2

0 2

0( )2

km v

E h

Se puede medir la energía cinética máxima invirtiendo la polaridad de la fuente y dándole un valor suficiente (llamado potencial de frenado Vo), de manera que frene a los electrones más energéticos. En este caso la energía cinética será igual al trabajo hecho contra el campo eléctrico

2max

max0 02

T k Km v

W eV E E

)11

(e

hc

e

)(hV

0

00

1010x40012e

hc )11

(40012V0

0

Si la Intensidad de la luz se incrementa para una luz de frecuencia constante, se observa que cuando el potencial es positivo las curvas son constantes lo que indica que todos los foto electrones son captados por el ánodo. Si el potencial se hace negativo para reducir la corriente a cero el potencial de frenado no varia con la intensidad de la luz

Si se varia la frecuencia manteniendo constante la intensidad de la luz , el potencial de frenado crece . El potencial de frenado es función de la frecuencia

Material Función trabajo (ev)

Aluminio 4,3

Carbono 5,0

Cobre 4,7

Oro 5,1

Níquel 5,1

Plata 4,3

Sodio 2,7

Silicio 4,8

El potencial de frenado depende de la frecuencia , manteniendo constante el material. Se puede determinar el valor de h y la función trabajo como h/e

Cuanto mayor es la función trabajo mayor es la frecuencia umbral necesaria para emitir electrones

0

hV

e e

Al incidir rayos X (1017 – 1020Hz) sobre una superficie (grafito) esta luz es dispersada observándose dos longitudes de onda (una igual a la incidente y otra próxima a esta), frente al resultado clásico de una sola , igual a la incidente.

Considerando la radiación X como partículas de energía h:

Tenemos una colisión elástica:

hν=pc=E

pc+cm=E

γ

2220

2 θλ=λλ C' cos10

cm

h=λ

eC

EFECTO COMPTON - 1923

DAVISSON - GERNER (PROPIEDADES ONDULATORIAS DE LA MATERIA- 1927

Confirmaron la existencia de las ondas de De Broglie, al comprobar la difracción de electrones por redes cristalinas. utilizaron un dispositivo en que los electrones eran emitidos por un filamento de Wolframio calentado (emisión termoiónica), acelerados por una diferencia de potencial V del orden de los 50eV y lanzados en incidencia normal contra un cristal de Níquel, que posee una estructura cúbica. La anécdota es que, de hecho, parece que el objetivo inicial del experimento era el estudio de este elemento, que convirtieron en forma monocristalina por accidente: después de una ruptura accidental de la bomba de vacío, se formó una capa de óxido sobre el níquel en el blanco; para removerla, lo introdujeron en un horno, donde la elevada temperatura produjo su recristalización, pasando de una forma policristalina inicial a otra monocristalina, con la aparición de los denominados planos de Bragg atómicos.

DAVISSON - GERNER (PROPIEDADES ONDULATORIAS DE LA MATERIA- 1927

La materia de lo desconocido

MAXWELL:

Es un elemento que lo llena todo hasta que el espacio entero este lleno 3 o 4 veces con éter.

MICHELSON –MORLEY EXISTENCIA DEL ÉTER - 1887

Las conclusiones de las ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo:

La luz es una onda electromagnética

La velocidad de la luz es constante en el vacío

EL INTERFEROMETRO

RAYO 1

21

1

2

vuvL

uv

L

uv

Lt

u

v-u

v+u

RAYO 2

-u

v v’

u

-u

v’v

22222

1

2

1

22

vu

vL

vuv

L

uv

Lt