Experimento de Franck-Hertz

Transcripción

1 TÉCNICAS EXPERIMENTALES EN FÍSICA III curso Experimento de Franck-Hertz Objetivos Demostrar a través del estudio de las colisiones de electrones con los átomos de un gas, que los niveles de energía atómicos están cuantizados. A) Obtención de la curva de Franck-Hertz para mercurio. B) Obtención de la curva de Franck-Hertz para neón. Introducción y fundamentos En 1914, James Franck y Gustav Hertz realizaron un experimento que demostraba de manera directa que los átomos tienen niveles de energía discretos. En este experimento se bombardean átomos de mercurio con electrones acelerados por una diferencia de potencial. La transferencia de energía entre los electrones y los átomos del vapor se produce mediante colisiones inelásticas, en las cuales, una cantidad discreta de energía es absorvida por el átomo como un todo, aumentando así suenergíaaunestado excitado. Se controla entonces la pérdida de energía de los electrones debida a las colisiones inelásticas con los átomos de mercurio y se observa que la energía cedida tiene valores discretos múltiplos de 4.9 ev. La energía de 4.9 ev corresponde a la excitación de un átomo de mercurio desde el estado fundamental (6s 2 ) al primer estado excitado (6s6p- 3 P). Esta energía está en perfecto acuerdo con los resultados espectroscópicos para la línea de emisión ultravioleta del mercurio (λ = 254 nm). El experimento de Franck-Hertz proporciona una confirmación de la teoría cuántica independiente de los resultados espectroscópicos. La misma experiencia se puede realizar con gas Neón. La excitación más probable del Neón a través de colisiones inelásticas tiene lugar desde el estado fundamental 2s al conjunto de estados 3p. Estas excitaciones están en el rango de energías de ev. Aunque los estados 3s tienen una energía de excitación más baja, ev, su probabilidad de excitación es menor. La desexcitación de los niveles 3p no se produce directamente hasta el estado fundamental, sino que tiene lugar a través de los estados 3s. El fotón emitido correspondiente a esta transición está en el rango visible (entre rojo y verde) y se puede observar a simple vista.

2 2 Equipo y Montaje de la práctica Disponemos de un tubo que contiene un vapor atómico (bien sea mercurio o neón) a través del cual se hace pasar un haz de electrones acelerados que bombardean el vapor atómico. Para producir y controlar el haz de electrones, en el interior del tubo se sitúan cuatro electrodos: K, G1, G2 y A. Los electrones son emitidos por el cátodo K previamente calentado y forman una nube de carga que se focaliza mediante una pequeña tensión U1 aplicada a la rejilla G1. Entre las rejillas G1 y G2 se establece una diferencia de tensión U2 que acelera a los electrones al potencial variable deseado. Un pequeño potencial de frenado U3 se establece entre la rejilla G2 y el ánodo A, de tal forma que sólo se colectan en el ánodo y contribuyen a la corriente anódica aquellos electrones que tengan suficiente energía cinética cuando alcanzan la rejilla G2. Inicialmente, al ir aumentando la tensión U2, la corriente anódica irá aumentando. Pero en el espacio entre las dos rejillas G1 y G2 los electrones sufrirán colisiones con los átomos del vapor. Estas colisiones serán de tipo elástico, hasta que la energía cinética de los electrones, cerca de la rejilla G2, alcance un valorigualalaenergía de excitación de los átomos del vapor. En este caso, en las colisiones (inelásticas) los electrónes transfieren toda su energía cinética, excitando a los átomos del vapor. Después de la colisión, los electrones no pueden superar el potencial de frenado U3, por lo que no alcanzan el ánodo y la intensidad de corriente anódica cae bruscamente. Si se contiúa aumentando la tensión U2, los electrones tendrán energía suficiente para superar la contratensión anódica después de sufrir una colisión inelástica y la corriente anódica se recupera y sigue aumentando, hasta que los electrones tienen suficiente energía como para volver a excitar a un segundo átomo del vapor cerca de la rejilla G2 y se produce un segundo descenso brusco de la corriente anódica. Y así sucesivamente. En resumen, al aumentar U2 se observan sucesivos descensos bruscos de la intensidad anódica justo para valores del voltaje de aceleración tales que las energíasdeloselectronessonmúltiplos de la energía de excitación de los átomos del vapor. Esto significa que los átomos absorven energía de los

3 3 electrones sóloaenergías específicas discretas. NOTA: la primera caida de la corriente anódica sucede para un valor del potencial de aceleración (U1+U2) superior a la energía de excitación de los átomos del vapor debido al potencial de contacto efectivo entre el cátodo y la rejilla G2. A) Tubo de mercurio. Es un tubo de vacío en el que se aloja una gota de mercurio. Al calentar el tubo, introduciéndolo en un horno, algunos átomos de la gota pasarán a vapor. La temperatura de operación del tubo de mercurio es de 183 o C. No sobrepasar nunca los 200 o C. Para controlar la temperatura del tubo, disponemos de un conjunto termopartermómetro. El termopar se introduce por un orificio de la parte posterior del horno en un agujero del cilindro de cobre que aloja al tubo de mercurio en el interior del horno. Es MUY IMPORTANTE garantizar una perfecta colocación de la sonda de temperatura para que la lectura del termómetro corresponda realmente a la temperatura del tubo. B) Tubo de neón. Este tubo opera a temperatura ambiente. Precauciones: i) Los tubos de vacío corren peligro de implosión por un golpe o caida. ii) No aplicar ninguna tensión al tubo de mercurio frío pues se corre peligro de cortocircuito por el mercurio metálico entre los electrodos. iii) Antes de empezar a operar con los tubos de mercurio y neón, calentar el cátodo (con la tensión correspondiente) durante 1 minuto.

4 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Pídase al profesor un tubo de mercurio para verlo con detalle. En el eje cilíndrico del mismo se encuentra el filamento f que al serle aplicada una tensión alterna de unos 6 voltios se pone incandescente calentando indirectamente al cátodo para que emita los electrones que formarán parte de la corriente. Fig. 3a Fig.3b La disposición de los electrodos es cilíndrica en el tubo de Hg. Las imágenes de arriba muestran los dos tubos, la 3a el de mercurio y la 3b el de neón. En el tubo de neón la disposición de los electrodos es planoparalela. En la primera imagen se ve también el horno y el cilindro metálico que ha de alojar el tubo de mercurio en su interior. La conexión tubo-aparato de control es diferente en A1 y en A2. Para A2 se realiza con el cable multiconector de las Figs.3a y 3b que es por donde recibe las tensiones para las rejillas y para el filamento, suministradas por el aparato de control como se ve en las figuras que siguen: cable del horno (oven), conexión posterior aparato de control A2 Fig.4a Fig.4b siendo la 4a para Hg y la 4b para Ne. Obsérvese también la conexión del horno. Por otra parte, los enchufes del panel donde se dispone el tubo de neón no se conectan.

5 5 Montaje del equipo para mercurio Montaje del equipo para neón

6 6 Realización de la práctica A) Obtener la curva de excitación del primer nivel del mercurio. Obtener la diferencia entre máximos adyacentes y compararla con el valor correcto de la energía de excitación del primer nivel 3 Pquees4.9eV. 0) Comprobar que todas las tensiones del aparato de control están a cero. 1) En primer lugar habrá que calentar el horno con el cilindro metálico y el tubo de mercurio incluidos, hasta 183 o C. Para ello se conecta el horno al aparato de control y también se conecta el termómetro al aparato de control. Al encender la unidad de operación con el tubo de mercurio conectado se enciende el LED rojo. Al cabo de unos minutos, cuando se alcance la temperatura preseleccionada, el LED indicador se iluminará verde. (El cable del cilindro metálico del horno se conecta a la tierra del horno.) 2) No conecte tensiones al tubo de mercurio hasta que éste no haya alcanzado su temperatura de operación de 183 o C. 3) Hacer las conexiones (con todas las tensiones iguales a cero) según se indica en las figuras respectivas y esperar 1 minuto a que se caliente el cátodo. 4) Ajustar el valor de las tensiones U1 y U3 a 1.5 V Poner el conmutador en MAN (manual) y seleccionar los valores de U1 y U3 sucesivamente. 5) Observar la variación de la intensidad anódica como función del potencial de aceleración U2, haciendo variar este último entre 0 y 30 V. Observar en el osciloscopio la corriente en función del voltaje. Para ello colocar el conmutador en modo diente de sierra. Esto hace que la tensión haga periódicamente un barrido entre 0 y 30 V. Comprobar que se producen bajadas de la intensidad cada 5 V aproximadamente. Observar cómo cambia la curva si se varían ligeramente (sin superar 2 V) U1 y U3. 6) Tomar valores de la intensidad como función de la tensiónaintervalosde0.5v.(en el equipo 2 poner el conmutador en MAN manual). Al finalizar las medidas poner todas las tensiones a cero y desconectar el tubo y el horno. 7) Dibujar la curva correspondiente en papel milimetrado e interpretar los resultados de las medidas. B) Obtener la curva de excitación del neón 0) En este caso se trabaja a temperatura ambiente. 1) Fijar los parámetros de operación a U1=3V y U3=8V. 2) Repetir los pasos anteriores, variando el potencial de aceleración U2 hasta un valor

7 7 de 80 V. Primero visualizar en el osciloscopio con el selector en diente de sierra. Después tomar los datos a intervalos de 1V con el selector en MAN. 3) Para finalizar, disminuyendo la luz ambiental, obsérvense las franjas luminosas que corresponden a la desexcitación del neón a un estado intermedio. Por tanto las franjas se producen en las zonas de alta densidad de excitación del neón, pudiéndose comparar con los mínimos de la cuva de Franck y Hertz. Presentación de Resultados 1) Gráfica de Franck-Hertz para el mercurio y cálculo de su energía de excitación a partir de la diferencia entre máximos adyacentes. 2) Gráfica de Franck-Hertz para el neón y cálculo de su energía de excitación a partir de la diferencia entre máximos adyacentes. 3) Gráfica de la variación del potencial como función de la distancia, entre dos láminas planoparalelas entre las que existe una diferencia de potencial de a) 2.5 veces y b) 3.5 veces la energía de excitación del mercurio(neón). Señalar en ambos casos en el eje de abscisas los puntos en los que se produciría la excitación del mercurio(neón). 4) En el caso del neón, explicar si existe concordancia entre el número de puntos marcados en la abcisa de las gráficas anteriores y el número de franjas luminosas observadas.