frank hertz (EQUIPO energia oscura)

BENEMÉRITA UNIVERSIDAD
AUTÓNOMA DE PUEBLA
FACULTAD DE CIENCIAS FISICO MATEMÁTICAS
FISICA COMTEMPORANEA CON LABORATORIO
INTEGRANTES DEL EQUIPO
Arias cruz José Ángel
Calvario Coyotl Javier
Cruz Ojeda Néstor Eduardo
Espindola Ramos Ernesto
Rosas Flores Isaac
Sánchez Vélez Ricardo
Santamaría Juárez Efrén
Vargas Hernández Laura Gabriela
PRACTICA 2: EXPERIMENTO DE FRANK HERTZ
ENERO DE 2012
Experimento de Frank hertz
1 OBJETIVOS
1.1 Reproducir el experimento realizado por Frank y Hertz.
1.2 Comprender el funcionamiento y el propósito de dicho experimento.
2 ANTECEDENTES
El experimento de Frank-Hertz debe su nombre a los que lo realizaron por
primera vez en 1914, James Frank y Gustav Ludwig Hertz. El objetivo de este
experimento es probar la cuantificación de los niveles de energía de los
electrones en los átomos. Lo que se buscaba era poder comprobar el modelo
cuántico del átomo de Bohr, demostrando que los átomos sólo pueden
absorber cantidades específicas de energía, llamada cuantos.
Estos grandes científicos recibieron el premio Nobel de física en 1925 gracias a
este experimento. Se utiliza un tubo que contiene vapor de mercurio a baja
presión para poder realizar el experimento. Un cátodo caliente emite electrones
con una energía cinética casi nula, los electrones van a ganar energía debido a
la diferencia de potencial que existe entre el cátodo y la rejilla. A continuación
se presenta un esquema para poder entender mejor lo antes descrito, ver la
figura 1
Fig. 1 Esquema del experimento de Franck-Hertz.
Los electrones van a chocar con los átomos de vapor de mercurio y pueden
perder energía. Aquellos electrones que lleguen a la rejilla con una energía
cinética ≥ 1.5 eV chocarán con el ánodo y producirán una corriente Ic. Como es
de esperarse, aquellos electrones que no alcancen la energía cinética mínima
regresarán a la rejilla y no contribuirán a la corriente.
Si obtenemos una gráfica de la corriente vs. el voltaje tendremos algo como la
figura 2. El primer valle que encontramos en la gráfica corresponde a aquellos
electrones que han perdido toda su energía cinética después de una colisión
inelástica con un átomo de mercurio. Mientras que el segundo valle
corresponde a los electrones que han experimentado dos colisiones inelásticas
con los átomos de mercurio y así sucesivamente.
Cuando un electrón tiene una colisión inelástica con un átomo de mercurio lo
deja en un estado excitado, y va a volver a su estado normal después de emitir
un fotón de 2536 Å de λ,
3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Para poder obtener un buen resultado experimental es importante controlar la
Temperatura esto para mantener al mercurio en estado gaseoso, ya que las
gráficas mostradas en el osciloscopio dependen de esto.
El horno contiene una ampolla con mercurio en cuyo interior están el cátodo,
ánodo y rejilla, en la parte izquierda de la imagen (Fig. 3) se encuentra la
unidad de control la cual es empleada para la amplificación de la intensidad,
aplicar los voltajes de aceleración y barrera y proporcionar la señal que será
observada en el osciloscopio, en este osciloscopio vamos a poder observar una
grafica que indique la relación entre corriente y voltaje. La temperatura del
horno se controla con un mando ubicado en la parte inferior de este, teniendo
valores menores a 180º C, el valor de dicha temperatura se conoce
introduciendo un termopar en el horno
Figura 3. Montaje experimental
Figura 4. Tubo de mercurio
4 RESULTADOS
4.1 Análisis de errores
En esta práctica no fue necesaria la realización de análisis de errores, ya que
no se utilizaron ecuaciones para calcular resultados.
4.2 Graficas
Grafica 1.
4.3 Discusión de resultados
En osciloscopio aunque no se pueden realizar mediciones tan precisas se
observa una curva en la que se distinguen máximos y mínimos. Esta curva es
similar a la figura 2 lo cual corroboro que dentro del tubo se están llevando
dichas colisiones inelásticas. la curva no está bien definida debido a diferentes
razones como:
A que la temperatura no se mantiene constante todo el tiempo cambiando
rápidamente.
Cargas electroestáticas causan ruido en el osciloscopio esto porque se observó
que cuando el horno se conectó a tierra la señal del osciloscopio mejoro
Ruido debido a las conexiones.
Debido a estas razones se optó por realizar el experimento de manera más
directa con objetivos y antecedentes antes mencionados.
Experimento de Frank Hertz (segundo método)
5. Montaje y desarrollo Experimental
5.1 Instrumentación
La siguiente lista muestra el material requerido para llevar acabo el
experimento
. Tubo de Frank Hertz de gas neón
. Fuente de voltaje
. Fuente de poder de 3.5 volts
. 2 Multímetros
. Caimanes
6 Arreglo experimental
El montaje del experimento se muestra en la figura 5
Cátodo
ánodo
Tubo de Frank Hertz
3v
0-50v
amperímetro
Fig. 5 Esquema del montaje experimental
7 Procedimiento para la toma de datos
Para la toma de datos se iba variando el voltaje aplicado entre el cátodo y la
rejilla, variando este de 1 en 1 volt obteniendo así la corriente que se registraba en
el ánodo con un amperímetro conectado en serie. Como utilizamos el
amperímetro para conocer la corriente entonces tenemos un error de .5 mA. De
modo que finalmente obtenemos los datos de la tabla 1 cuyos datos se
encuentran graficados en la gráfica 2.
Voltaje (v)
0
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
Corriente (mA)
0
0.02
0.1
0.25
0.55
1.13
1.84
2.35
2.67
2.84
2.84
2.62
2.63
2.6
2.5
2.64
3.32
3.33
3.4
3.53
3.54
3.2
3.14
3.62
3.8
3.97
4.35
Voltaje (v)
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
Tabla 1
Grafica 2. Corriente Vs Voltaje
Corriente (mA)
5.5
6.3
6.9
7.8
7.38
7.07
6.9
6
4.7
3.8
2.7
2
1.8
1.6
1.5
1.3
1.24
1.07
0.98
0.95
0.88
0.84
0.84
0.88
8 Discusión de resultados
La grafica 2 nos muestra la relación entre el voltaje suministrado al sistema y la
corriente, obteniendo una concordancia a la predicha por el experimento de
Frank Hertz. Como este es el caso para el tubo de gas neón sabemos que el
voltaje de excitación de este gas está en el intervalo 18.3-19.5 v. En esta
grafica podemos observar que los máximos se encuentran en 16v, 26v y 36v
teniendo así un voltaje de excitación de 16v, 13v y 12v, a pesar de no encontrar
valores de excitación en el rango correcto, observamos que los máximos de los
valores obtenidos son equidistantes esto es relevante debido a que los niveles
de energía de excitación son equidistantes.
9 Conclusiones
En el primer caso es importante mencionar que se obtuvieron algunos
problemas en cuanto al armado experimental y además se tuvo que esperar 15
minutos para obtener una temperatura adecuada, por lo que antes de obtener
los resultados se realizaron varias pruebas.
En cuanto al segundo caso este fue más ilustrativo ya que obtuvimos datos
los cuales pudimos graficar y entender mejor este fenómeno.
Se logró cumplir el objetivo ya que se corroboro el modelo de cubanización de
Bohr y entender cómo es que fue realizado el experimento de Frank Hertz
6 REFERENCIAS
[1] La cuantización de la energía
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/mov_campo/mov_campo.html#M
ovi
miento%20en%20un%20campo%20el%E9ctrico
[2] S. Frish - A. Timoreva. CURSO DE FISICA GENERAL Tomo III. Moscú,
1977.
Editorial Mir.