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Transcript
BENEMÉRITA UNIVERSIDAD
AUTÓNOMA DE PUEBLA
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICOMATEMÁTICAS
EXPERIMENTO FRANK-HERTZ
INTEGRANTES:
MARIBEL HERNÁNDEZ MÁRQUEZ
CRESCENCIO LUNA GARCÍA
DAVID OSWALDO QUITL
LAURA ALEJANDRA TEPANÉCATL
INTRODUCCIÓN:
La teoría de Bohr nos indica que la energía de los electrones en los átomos está cuantizada. Frank
y Hertz hicieron un experimento con átomos de mercurio donde pudieron observar directamente
que la energía de los electrones era absorbida por los átomos de manera cuantizada. Es decir, en
1914 , Franck y Hertz demostraron la existencia de estados excitados en átomos de mercurio que
confirmó la teoría cuántica que predecía que los electrones solo ocupaban estados cuantizados,
discretos de energía.
OBJETIVOS:
Reproducir el experimento de Franck Hertz, y encontrar la relación entre la corriente Ic con la
diferencia de potencial U que se establece entre el cátodo y la rejilla, encontrar los valores del
potencial en los que hay caídas de corriente para confirmar el valor encontrado por Franck y
Hertz en su experimento con mercurio.
TEORÍA:
Los electrones son acelerados en el aparato de Franck-Hertz y la corriente se incrementa cuando
aumenta el voltaje de aceleración. La caída en la corriente colectada se atribuye a colisiones
inelásticas entre los electrones acelerados y los electrones atómicos en los átomos de mercurio.
En las colisiones inelásticas se pierde energía. Este efecto sugiere que los electrones del mercurio
no pueden aceptar energía hasta que esta llega al umbral necesario para elevarlos a un estado
excitado.
El estado excitado observado en la caída de 4,9 Volts corresponde a una línea intensa en el
espectro de emisión ultravioleta del mercurio a 254 nm (un fotón de 4.9eV).
Es decir, cuando un electrón choca con un átomo de mercurio, hay dos resultados. Si la
energía cinética del electrón es menor que la diferencia ∆𝐸 entre los niveles de energía n=1
y n=2 , entonces simplemente rebota elásticamente manteniendo su energía cinética
original.
Pero si el electrón posee una energía cinética igual o mayor a ∆𝐸 , entonces se transfiere
más energía cinética al átomo de mercurio, excitando al átomo al segundo nivel de energía,
quedando el electrón con muy poca energía cinética.
Es decir al aumentar el valor V hasta un cierto valor V1 tal que la energía cinética del electrón
provoque un choque inelástico con el átomo de Hg, éste absorberá dicha energía, el electrón no
llegará al ánodo y se producirá una caída de corriente. Si se sigue aumentando V, el electrón
después del choque es acelerado nuevamente, por lo que llegará al ánodo con cierta energía, y
aumentará la corriente. De éste modo es posible observar varias caídas de la corriente, que
corresponderán a igual número de choques inelásticos con transferencia de energía al gas de Hg.
MATERIALES:
Tubo de Franck Hertz de mercurio
1 osciloscopio
1 fuente
1 voltímetro
ARREGLO EXPERIMENTAL: En el interior del tubo de Franck Hertz de mercurio, se encuentra un
cátodo, una rejilla y un ánodo y mercurio, como se puede ver en la imagen siguiente:
Se aplica una diferencia de potencial entre el cátodo y la rejilla , es decir, el filamento se encuentra
todo el tiempo a 3V y el voltaje de la rejilla va variando y se mide la corriente que llega al ánodo.
.Los electrones que son emitidos por el cátodo, debido al efecto termoiónico, son acelerados,
pero al haber mercurio en el interior del tubo estos chocan con los átomos de vapor de mercurio
provocando colisiones del tipo elástico. Y solo los electrones que tengan la energía suficiente para
atravesar la rejilla son colectados por el ánodo.
RESULTADOS:
Voltaje del filamento voltaje rejilla
corriente anodo
3V
V
I [mA]
0
0
1
0
2
0
3
0
4
0
5
0
6
0
7
0
8
0.06
9
0.2
10
0.55
11
1.08
12
2.16
13
2.91
14
3.82
15
4.1
16
4.1
17
4.01
18
3.92
19
4
20
4.2
21
4.23
22
4.6
23
4.23
24
4.04
25
4.06
26
3.99
27
4.19
28
4.64
29
4.43
30
5.5
31
5.65
32
5.47
33
5.21
34
5.14
35
5.05
36
5.29
37
4.9
38
3.8
39
3.32
40
3.06
41
2.26
42
1.8
43
1.5
44
1.24
45
1.05
46
0.96
47
0.84
48
0.8
49
0.71
50
0.64
GRÁFICAS:
Voltaje (V) contra corriente(mA)
5.65
5.21 5.29
6
5
4.1
4.6
4.23
4.64
3.99
4
3
2
1
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51
Voltaje (V) vs Diferencia de corriente (mA),valor
absoluto.
1.2
1.08
1
1.07
1.1
0.91
0.8
0.8
0.6
0.4
0.37
0.45
0.2
0
0.39
0.26 0.3
0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51
ANÁLISIS:
El promedio entre la diferencia de corriente es de ∆𝐼 dada en mili amperes es aproximadamente
de .28, así que los picos que nos interesan son los mayores al promedio.
Que son los datos siguientes:
voltaje rejilla
Diferencia
absoluto.
V
(m A)
9
0.35
10
0.53
11
1.08
12
0.75
13
0.91
14
21
22
27
29
36
37
0.28
0.37
0.37
0.45
1.07
0.39
1.1
38
40
41
42
50
0.48
0.8
0.46
0.3
0.64
de
corriente,valor
PRINCIPALES PICOS:
Principales
picos
V
mA
11
1.08
13
0.91
21
0.37
27
0.45
29
1.07
36
0.39
37
1.1
38
0.48
40
0.8
41
0.46
50
0.64
Haciendo un promedio entre cada cuanto cambia la corriente, nos da que estos picos se
presentan en intervalos aproximados de 3.9 Volts.
CONCLUSIONES.
Encontramos que las caídas de corriente medidas en el ánodo ocurrían aproximadamente cada 3.9
volts, lo que difiere por un volt con el valor teórico a encontrar de 4.9 Volts. Sin embargo, es un
valor cercano y que nos permite concluir que estas caídas en la corriente se deben a la
interacción que existe entre los electrones de los átomos de mercurio y los electrones emitidos
por el cátodo por emisión termoiónica. Sugiriéndonos que los electrones de mercurio no
pueden aceptar energía hasta que esta llega al umbral necesario para elevarlos a un estado
excitado. Cuando esto ocurre hay una colisión inelástica, donde el átomo de mercurio absorbe la
energía del electrón emitido y éste no llega al ánodo provocando una caída de corriente. Las
Caídas en la corriente colectada ocurren a voltajes múltiplos de 4.9 Volts ya que un electrón
acelerado que tiene 4.9 eV de energía y que es removida en una colisión, puede ser re-acelerado
para producir otra de estas colisiones a voltajes múltiplos de 4.9 volts.
Como vemos este experimento confirma la idea de los niveles de energía atómicos cuantizados.
BIBLIOGRAFÍA:
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/frankHertz/frankHertz.htm
http://ufq.unq.edu.ar/Docencia-Virtual/FisicaIII/TP%20labo%20finales/PRACTICA-N%C2%B0-2%28Franck-Hertz%29.pdf