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Física Aplicada II 2013

EXPERIMENTO DE FRANCK – HERTZ CON NEON M.Aqueveque, M.Bonilla, F.Campos, J.Frei Departamento de ciencias físicas, Universidad de La Frontera, Temuco, Mayo 2013

RESUMEN En 1914 James Franck y Gustav Hertz dieron a conocer que cuando los electrones pasan a través de vapor de mercurio se observa una perdida discontinua de energía asociada con la emisión de la línea ultravioleta del mercurio. Siendo el experimento clásico para corroborar la teórica cuántica. En el experimento se utilizará un tubo con gas de neón donde se aceleraran electrones por una diferencia de voltaje hacia un electrodo positivo, donde se registrara la pérdida de energía de los electrones por dispersión inelástica en átomos de neón. Palabras Clave: experimento Franck – Hertz, Teoría Cuántica, Dispersión inelástica

ABSTRACT In 1914 James Franck and Gustav Hertz disclosed that when electrons pass through mercury vapor is observed discontinuous energy loss associated with ultraviolet emission line of mercury. Being the classic experiment to corroborate the quantum theory. In the experiment, use a neon gas tube which accelerate electrons by a voltage differential to a positive electrode, which will record the energy loss by inelastic scattering electrons in neon atoms. Keywords: Franck – Hertz Experiment, quantum theory, inelastic scattering

INTRODUCCIÓN En 1914, Franck y Hertz realizaron un experimento que demostró la existencia de estados excitados en los átomos de mercurio, lo que ayudo a confirmar la teoría cuántica que predecía que los electrones ocupaban solamente estados de energía discretos cuantificados. La mecánica cuántica nos

enseña que los átomos poseen niveles discretos de energía y que ellos absorben o emiten solamente la energía correspondiente a la diferencia entre dos niveles discretos. Este hecho importante que difiere del concepto teórico común de la física clásica, puede verificarse en el experimento de Franck-Hertz. Este experimento demostró la existencia de estados

excitados en átomos de mercurio, ayudando a confirmar la teoría cuántica que predecía que los electrones solo ocupaban estados cuantizados, discretos de energía.

MARCO TEORICO El experimento de James Franck y Gustav Hertz, el cual les otorgó el premio Nobel de física en 1925 logro la demostración de la cuantificación de los niveles de energía en los átomos. La finalidad de esta investigación se basaba en la necesidad de encontrar una prueba que demostrara el modelo atómico del físico danés, Bohr. Esta teoría fue muy polémica en sus principios ya que era la primera que incluía la idea de los cuantos, sin embargo, una vez verificada, fue utilizada como cimientos para el modelo cuántico, el cual se mantiene vigente, y supone la base sobre la que se sustenta toda la tecnología moderna. Por tanto, aunque quizá no de una forma directa pero sí imprescindible, Franck y Hertz son, junto a otros científicos, los responsables de toda la aparatología tecnológica de la que disfrutamos en la actualidad (1). Los electrones eran acelerados con un voltaje hacia un electrodo en forma de grilla cargado positivamente. El sistema estaba contenido en una cápsula de vidrio llena con vapor de mercurio, como se indica en la figura 1. Después de la grilla había un terminal colector con un pequeño voltaje negativo respecto a la grilla.

Figura 1: Aparato de aceleración y datos originales de Franck-Hertz.

Los valores del voltaje de aceleración para los cuales la corriente caía daban una medida de la energía necesaria para forzar un electrón a un estado excitado. Los electrones son acelerados en el aparato de Franck-Hertz y la corriente colectada se incrementa cuando aumenta el voltaje de aceleración. Como se muestra en la figura 1, cuando el voltaje de aceleración alcanza 4.9 eV, la corriente cae abruptamente, indicando la aparición abrupta de un nuevo fenómeno que quita energía a los electrones de modo tal que no pueden alcanzar el electrodo colector. Caídas en la corriente colectada ocurren a voltajes múltiplos de 4.9 eV 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 eV.

discretos como la teoría de Franck y Hertz lo afirman.

EXPERIMENTO

Figura 2: Esquema del aparato de FranckHertz.

En este experimento se estudia la pérdida de energía de electrones libres por dispersión inelástica (excitación por choques) en átomos de neón. La excitación ocurre con una probabilidad muy alta desde el estado fundamental hacia los diez estados 3p que se encuentran entre 18,4 eV y 19,0 eV por encima del estado fundamental. Los cuatro estados 3s con 16,6 eV hasta 16,9 eV que se encuentran un poco más bajo son excitados con menor probabilidad. La transición de los estados 3p hacia el estado fundamental con emisión de fotones es posible pero sólo a través de los estados 3s. La luz emitida que se encuentra en el rango visible entre rojo y verde puede ser observada a simple vista.

OBJETIVOS  Describir el experimento de Franck y Hertz.  Comprobar la posibilidad de excitar partículas mediante un bombardeo de electrones.  Evidenciar que la energía transferida por los electrones a los átomos tiene siempre valores

El instrumento utilizado en este experimento consiste en un filamento emisor de electrones y una estructura adecuada para acelerarlos a un potencial (variable) deseado. Los electrones acelerados bombardean el vapor atómico del Neón y se pueden observar fases, para este caso, se observaron tres fases de luminiscencia, que dependían de la energía con que llegaban los electrones y colisionaban con los átomos del gas. Para detectar la excitación de los átomos en el vapor de Neón es posible observar el haz de electrones, cuando éstos son acelerados a un potencial igual a la energía del primer nivel excitado, algunos de ellos excitarán átomos de Neón y perderán toda su energía, al quedar en la primera fase y se observará una luminiscencia visible al ojo humano. Si no existe un potencial retardador antes de la región colectora, los electrones que se han difractado serán incapaces de sobrepasar ese nivel y no llegarán al ánodo. Esto se logra usando dos rejillas entre el cátodo y el colector. Cuando los potenciales se han distribuido en el haz es acelerado entre el cátodo y la rejilla, como la figura 2. Cuando el umbral para el primer nivel excitado ha sido alcanzado, se observa una disminución de la corriente, proporcional al número de colisiones ocurridas (producto de la densidad atómica del gas y a la sección transversal). Luego, cuando el umbral del siguiente nivel es alcanzado, una nueva disminución en la corriente del colector es observada:

Fig. 3 Umbrales alcanzados por los electrones (marcado en rojo).

El número de electrones alcanzando el ánodo depende de la velocidad de aceleración, dependientes del voltaje e intensidad de corriente aplicada. La densidad del vapor atómico a través del que el haz electrónico afecta mayormente a los resultados observados. Bajas densidades resultan en grandes corrientes electrónicas pero disminuciones pequeñas, densidades altas tienen como consecuencia corrientes débiles pero disminuciones proporcionalmente grandes. En el siguiente gráfico se observa lo realizado en el laboratorio:

Fig. 4 Gráfico obtenido en actividad práctica (Intensidad v/s Voltaje), donde intensidad corresponde al eje Y, y voltaje corresponde al eje X Se observan el incremento de la intensidad de corriente a medida que el voltaje aumenta, hasta alcanzar un máximo, el cual está dado por la

primera fase que alcanzan los electrones al colisionar con los átomos de gas y la consecuente pérdida de energía de aceleración. Luego de obtener una energía de aceleración mayor, lo cual les permite llegar a la segunda fase, pierden nuevamente su energía de aceleración y alcanzan nuevamente su máximo. En este caso, sucede hasta 3 fases, debido a que luego de la última fase, ocurre una saturación del instrumento.

CONCLUSION El experimento de Franck y Hertz demostró la existencia de estados excitados en los átomos de mercurio y ayudó a confirmar la teoría cuántica que predecía que los electrones ocupaban solamente estados de energía discretos cuantificados. Los electrones durante el experimento fueron acelerados por un voltaje determinado hacia una rejilla cargada positivamente, dentro de un recipiente de cristal lleno de vapor de Neon y una placa recolectora más allá de la rejilla que mantenía a un pequeño voltaje negativo respecto de la rejilla. Los valores de los voltajes de aceleración donde la corriente disminuyó, dieron una medida de la energía necesaria para llevar al electrón a un estado excitado. Así comprobamos que mientras el potencial de aceleración es pequeño los electrones tienen choque elásticos con los átomos del vapor de Neón, pero si este voltaje es aumentado hasta un cierto valor tal que la energía cinética del electrón provoca un choque inelástico con el

átomo de Neón, éste absorberá dicha energía, el electrón no llegará al ánodo y se producirá una caída de corriente. Si se sigue aumentando este voltaje, 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 o valles, que corresponderán a igual número de choques inelásticos con transferencia de energía al gas de Neón.

BIBLIOGRAFIA 1

Experimento de franck-hertz, disponible en:http://pendientedemigracion.ucm.es/in fooptica/lt3/data/practicas/TE_III_2010_11 _P05_Franck-Hertz.pdf 2

guia practica experimento Franck-Hertz. Fisica aplicada II 3

experimento de Franck-Hertz, capitulo 2, disponible en: http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmu i/bitstream/handle/132.248.52.100/627/A 4.pdf?sequence=4