Física atómica y nuclear

Transcripción

1 Física atómica y nuclar Exprimntos introductorios Carga spcífica dl lctrón LD Hojas d Física Dtrminación d la carga spcífica dl lctrón P Objtivos dl xprimnto Estudio d la dsviación d los lctrons dntro d un campo magnético n una órbita circular. Dtrminación dl campo magnético B n función dl potncial d aclración U d los lctrons a un radio constant r. Dtrminación d la carga spcífica dl lctrón. Principios Es difícil hallar la masa m dl lctrón n forma xprimntal. Es más fácil dtrminar la carga spcífica dl lctrón. ε = (I), m d dond s pud calcular la masa m si s conoc la carga lmntal : Un lctrón qu s muv a una vlocidad v n forma prpndicular al campo magnético homogéno B, stá sujto a la furza d Lorntz F = v B (II) la cual s prpndicular a la vlocidad y al campo magnético. Como una furza cntrípta v F = m (III) r furza al lctrón a dscribir una órbita d radio r (Vr Fig. 1), por lo tanto m v = (IV). r B En l xprimnto, los lctrons son aclrados n un tubo d rayo lctrónico filiform por l potncial U. La nrgía cinética rsultant s m U = v (V). Por nd, la carga spcífica dl lctrón s m U = (VI). ( r B) Fig. 1 Dsviación d lctrons dntro d un campo magnético B dbida a la furza d Lorntz F n una órbita circular d un radio spcífico r. LD Didactic GmbH Lyboldstrass 1 D Hurth / Almania Tléfono: (033) Fax: (033) mail: [email protected] Imprso n la Rpública Fdral d Almania S rsrvan las altracions técnicas

2 P LD Hojas d Física Matrials 1 tubo d d rayo lctrónico filiform bobina d Hlmholtz con soport y dispositivo d mdición funt d alimntación d CC d V funt d alimntación d CC d 0 0 V voltímtro, CC, U 300 V por jmplo: amprímtro, CC, I 3 A por jmplo: cinta métrica d acro, m cabls d sguridad, 5 cm cabls d sguridad, 50 cm cabls d sguridad, 100 cm S rcominda adicionalmnt: 1 tslámtro sonda axial B cabl d unión d 6 polos, d 1,5 m d largo Notas d sguridad Atnción: El tubo d rayo lctrónico filiform ncsita pligrosos nivls d tnsión d contacto d hasta 300 V para aclrar los lctrons. Otras tnsions qu stán conctadas con sta pligrosa tnsión d contacto también rprsntan risgo d contacto. Por lo tanto, habrá pligrosas tnsions d contacto n l panl d conxions dl soport y n las bobinas d Hlmholtz cuando l tubo d rayo lctrónico filiform sté n funcionaminto. Utilic únicamnt cabls d sguridad para conctar l panl d conxions. gúrs simpr d apagar todas las funts d alimntación ants d conctar y modificar l montaj dl xprimnto. No ncinda las funts d alimntación hasta qu haya trminado d nsamblar l circuito. No toqu l montaj dl xprimnto, n particular las bobinas d Hlmhotz, mintras s ncuntrn n funcionaminto. Pligro d implosions: El tubo d rayo lctrónico filiform s un rcipint d vidrio al vacío con pards dlgadas. No somta l tubo d rayo lctrónico filiform a sfurzos mcánicos. Opr l tubo d rayo lctrónico filiform sólo dntro dl soport ( ) Conct l nchuf d 6 polos dl soport con cuidado a la bas d vidrio. La la hoja d instruccions provista con l tubo d rayo lctrónico filiform. El tubo d rayo lctrónico filiform contin moléculas d hidrógno a baja prsión, las cuals mitn luz al colisionar con los lctrons. Esto hac qu la órbita d los lctrons sa visibl indirctamnt, y qu s puda mdir dirctamnt l radio r d la órbita con una rgla. El campo magnético B s gnrado por un par d bobinas d Hlmholtz y s proporcional a la corrint I n las bobinas d Hlmholtz: B = k I (VII) Lugo d rformular las cuacions (VI) y (VII) obtnmos la dpndncia d la corrint I rspcto dl potncial d aclración U, n l campo magnético cuyo radio orbital r d los lctrons s mantin a un valor constant. 1 U = r k I (VIII) m El factor d proporcionalidad 3 4 n k = µ 0 (IX) 5 R 7 Vs µ 0 = 4π 10 : constant d campo magnético Am s pud calcular ya sa a partir dl radio d la bobina R = 150 mm y l factor d bobinado n = 130 por bobina, o s pud dtrminar rgistrando una curva d calibración B = f(i). Ahora todos los factors dtrminants para calcular la carga spcífica dl lctrón son conocidos. Montaj Nota: Ralic las mdicions n una cámara oscura. Las bobinas d Hlmholtz sólo s pudn cargar con más d A por un priodo d timpo rducido. La Fig. mustra l montaj dl xprimnto para dtrminar la carga spcífica dl lctrón, y la Fig. 3 mustra la conxión léctrica. - Dsconct la funt d alimntación y gir todos los potnciómtros giratorios hacia la izquirda hasta l top. - Conct l trminal d ntrada d 6,3 V dl tubo d rayo lctrónico filiform a la salida d 6,3 V d la funt d alimntación d CC. - Punt l polo positivo d la salida d 50 V d la funt d alimntación d CC con l polo ngativo d la salida d 500 V y conéctlo n l nchuf hmbra - dl tubo d rayo lctrónico filiform (cátodo). - Conct l nchuf hmbra + dl tubo d rayo lctrónico filiform (ánodo) al polo positivo d la salida d 500 V, l nchuf hmbra W (cilindro d Whnlt) con l polo ngativo d la salida d 50 V. - Para mdir l potncial d aclración U, conct l voltímtro (rango d mdición 300 V ) a la salida d 500 V. - Punt las placas dsviadoras dl tubo d rayo lctrónico filiform con l ánodo. - Conct la funt d alimntación d CC y l amprímtro (rango d mdición 3 A ) n sri con las bobinas d Hlmholtz. LD Didactic GmbH Lyboldstrass 1 D Hurth / Almania Tléfono: (033) Fax: (033) mail: [email protected] Imprso n la Rpública Fdral d Almania S rsrvan las altracions técnicas

3 LD Hojas d Física P Fig. Montaj dl xprimnto para dtrminar la carga spcífica dl lctrón. a b c Bobinas d Hlmholtz Tubo d rayo lctrónico filiform Dispositivo d mdición Fig. 3 Conxión léctrica - Encinda la funt d alimntación d CC y ajust l potncial d aclración U = 300 V. La misión trmoiónica cominza lugo d unos minutos d calntaminto. - Optimic l nfoqu dl rayo d lctrons variando la tnsión n l cilindro d Whnlt d 0 a 10 V hasta qu consiga un rayo angosto y bin dfinido con clara dfinición d bords. - Conct la funt d alimntación d CC d las bobinas d Hlmholtz y busqu l valor d corrint I para l qu la dsviación dl rayo d lctrons dscriba una órbita crrada. Ralización dl xprimnto - Muva la corrdra izquirda dl dispositivo d mdición d modo qu l bord intrior, la imagn spcular y la abrtura d scap dl rayo d lctrons s ncuntrn n una lína d visión. - Ajust la corrdra drcha d modo qu ambos bords intrnos stén sparados 8 cm. - Visualic l bord intrno d la corrdra drcha, alinélo con su imagn spjo y ajust la corrint I d la bobina hasta qu l rayo d lctrons corra tangncialmnt a lo largo dl bord d la corrdra cubrindo la imagn spjo (vr Fig. 4). - Rduzca l potncial d aclración U n pasos d 10 V a 00 V y slccion una corrint d bobina I d modo tal qu la órbita dl rayo d lctrons tnga un diámtro d 8 cm. - Rgistr l potncial d aclración U y la corrint d bobina I. Fig. 4 Mdición dl diámtro d la órbita con l dispositivo d mdición Si lugo d abandonar l ánodo, l rayo d lctrons s dsvía para l lado quivocado (izquirdo): - dsconct ambas funts d alimntación. - intrcambi las conxions d la funt d alimntación d CC para cambiar la polarización dl campo magnético. Si los lctrons no dscribn una órbita crrada sino una lína curva hlicoidal: - Afloj los tornillos d sujción d ambas abrazadras (la l manual d información dl tubo d rayo lctrónico filiform). - Gir cuidadosamnt l tubo d rayo lctrónico filiform sobr su j longitudinal hasta qu l rayo d lctrons dscriba una órbita circular crrada. - Ajust los tornillos d sujción. LD Didactic GmbH Lyboldstrass 1 D Hurth / Almania Tléfono: (033) Fax: (033) mail: [email protected] Imprso n la Rpública Fdral d Almania S rsrvan las altracions técnicas

4 P LD Hojas d Física Calibración dl campo magnético d Hlmholtz (opcional): La Fig. 5 mustra l montaj para calibrar l campo magnético. Para ralizar las mdicions s ncsitarán los dispositivos adicionals rcomndados más arriba. - Si corrspond, dsconct todas las funts d alimntación. - Rtir l dispositivo d mdición y la bobina d Hlmholtz d la part dlantra, afloj la conxión al tubo d rayo lctrónico filiform y los tornillos d montaj d las dos abrazadras (la las instruccions dl tubo d rayo lctrónico filiform). - Quit cuidadosamnt l tubo d rayo lctrónico filiform y colóqulo, por jmplo, n su stuch original. - Vulva a nsamblar la bobina d Hlmholtz d la part dlantra y conct. - Conct la sonda axial B al Tslámtro (rango d mdición 0 mt) y calibr l punto cro (va l manual d instruccions dl Tslámtro). - Muva la sonda axial B n forma paralla al campo magnético d las bobinas d Hlmholtz hacia l cntro dl par d bobinas. - Aumnt la corrint d bobina I d 0 a 3 A n pasos d 0,5 A, mida l campo magnético B y rgistr los valors d las mdicions. Una vz concluida la calibración: - Vulva a nsamblar l tubo d rayo lctrónico filiform d acurdo con las instruccions. Ejmplo d mdición Tabla 1: Corrint d bobina I n función dl potncial d aclración U a un radio d órbita constant r = 0,04 m. U V 300,15 90,10 80,07 70,03 60, , , ,88 0 1, , ,75 I A Fig. 5 Montaj para la calibración dl campo magnético d Hlmholtz Evaluación y rsultados La Fig. 6 mustra los valors d mdicions d la Tabla 1 n su forma linal U = f (I ) sgún (VIII). La pndint d la lína rsultant a través dl orign s α = 65,3 V A -. Sgún la cuación (VIII), la carga spcifica dl lctrón s m α = r k Por lo tanto, para sguir valuando s ncsita l factor d proporcionalidad k. Si los hacs luminosos incidn prpndicularmnt (α = β), s rfljan sobr sí mismos. Si los hacs luminosos incidn n forma oblicua, s rfljan n otras dirccions, pro prmancn parallos. Fig. 6 Prsntación d los rsultados d mdición d la Tabla 1 Tabla : Campo magnético B d las bobinas d Hlmholtz n función d la corrint d bobina I (sta mdición rquir d los dispositivos adicionals mncionados más arriba). I A B mt 0,5 0,35 1,0 0,65 1,5 0,98,0 1,34,5 1,6 3,0,05 LD Didactic GmbH Lyboldstrass 1 D Hurth / Almania Tléfono: (033) Fax: (033) mail: [email protected] Imprso n la Rpública Fdral d Almania S rsrvan las altracions técnicas

5 LD Hojas d Física P Dtrminación dl factor d proporcionalidad k a partir d la calibración dl campo magnético d Hlmholtz: El ajust d los valors d mdición d la Tabla a una lína rcta qu pasa por l orign nos da como rsultado: k = 0,67 mt A -1 y lugo m = 1,8 10 Cálculo dl factor d proporcionalidad k: Usando (IX) s pud calcular k = 0,78 mt A -1 y lugo m = 1,3 10 Valor documntado: m = 1,76 10 Fig. 7 Curva d calibración para l campo magnético d las bobinas d Hlmholtz LD Didactic GmbH Lyboldstrass 1 D Hurth / Almania Tléfono: (033) Fax: (033) mail: [email protected] Imprso n la Rpública Fdral d Almania S rsrvan las altracions técnicas