COMPENDIO DE EXPERIMENTOS CLÁSICOS DE LA FÍSICA MODERNA

CARLOS IVÁN JEREZ GONZÁLEZG2E17CARLOS

15/06/2015

FRANK-HERTZ (CUANTIZACIÓN DE LA ENERGÍA)

• En 1914, James Franck y Gustav Hertz realizaron un experimento que demostró la existencia de estados excitados en los átomos de mercurio, lo que ayudó a confirmar la teoría cuántica que predecía que los electrones ocupaban solamente estados de energía discretos cuantificados. Los electrones fueron acelerados por un voltaje hacia una rejilla cargada positivamente, dentro de un recipiente de cristal lleno de vapor de mercurio. Más allá de la rejilla, había una placa recolectora, mantenida 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 forzar el electrón a un estado excitado. 

FRANK-HERTZ (CUANTIZACIÓN DE LA ENERGÍA)

FRANK-HERTZ (CUANTIZACIÓN DE LA ENERGÍA)

• Los electrones son acelerados en el aparato de Franck-Hertz, y la corriente recogida aumenta con el voltaje de aceleración. Como muestran los datos de Franck-Hertz, cuando el voltaje de aceleración alcanza 4,9 voltios, la corriente cae bruscamente, indicando el claro inicio de un nuevo fenómeno que quita suficiente energía a los electrones, de manera que no pueden alcanzar el colector. Esta caída se atribuye a colisiones inelásticas entre los electrones acelerados y los electrones atómicos de los átomos de mercurio. La aparición súbita sugiere que los electrones de mercurio no puede aceptar la energía hasta que se alcanza el umbral para elevarlos a un estado excitado. Este estado excitado de 4,9 voltios, corresponde a una línea fuerte, en el espectro de emisión ultravioleta del mercurio, a 254 nm (un fotón de 4.9 eV). Se producen caídas de la corriente recogida en múltiplos de 4,9 voltios, puesto que un electrón acelerado que tiene quitado 4,9 eV de energía en una colisión, se puede volver a acelerar, para producir otras de tales colisiones a múltiplos de 4,9 voltios. Este experimento fue una fuerte confirmación de la idea de los cuantificados niveles de energía atómica.

EFECTO FOTOTELÉCTRICO (DUALIDAD DE LA LUZ)Sea f la energía mínima necesaria para que un electrón escape

del metal. Si el electrón absorbe una energía E, la diferencia e-f, será la energía cinética del electrón emitido. Einstein explicó las características del efecto fotoeléctrico, suponiendo que cada electrón absorbía un cuanto de radiación o fotón. La energía de un fotón se obtiene multiplicando la constante h de planck por la frecuencia f de la radiación electromagnética.E=hfSi la energía del fotón E, es menor que la energía de arranque f, no hay emisión fotoeléctrica. En caso contrario, si hay emisión y el electrón sale del metal con una energía cinética ek igual a e-f.Por otra parte, cuando la placa de área s se ilumina con cierta intensidad i, absorbe una energía en la unidad de tiempo proporcional a is, basta dividir dicha energía entre la cantidad hf para obténer el número de fotones que inciden sobre la placa en la unidad de tiempo. Como cada electrón emitido toma la energía de un único fotón, concluimos que el número de electrones emitidos en la unidad de tiempo es proporcional a la intensidad de la luz que ilumina la placa

EFECTO FOTOTELÉCTRICO (DUALIDAD DE LA LUZ)

EFECTO COMPTON (UNIVERSALIDAD DE LA DUALIDAD DE LA LUZ)

• El efecto Compton consiste en el aumento de la longitud de onda de un fotón cuando choca con un electrón libre y pierde parte de su energía. La frecuencia o la longitud de onda de la radiación dispersada depende únicamente del ángulo de dispersión.

EFECTO COMPTON (UNIVERSALIDAD DE LA DUALIDAD DE LA LUZ)

DAVISSON AND GERMER (PROPIEDADES ONDULATORIAS DE LA MATERIA)

• El experimento de Davisson-Germer demostró la naturaleza ondulatoria de los electrones, confirmando la hipótesis anterior de Broglie. Poner la dualidad onda-partícula sobre una base firme experimental, representó un gran paso adelante en el desarrollo de la mecánica cuántica. La ley de Bragg para la difracción, se había aplicado a la difracción de rayos X, pero esta fué la primera aplicación de ondas a las partículas.

DAVISSON AND GERMER (PROPIEDADES ONDULATORIAS DE LA MATERIA)

MICHELSON-MORLEY (INEXISTENCIA DEL ETER Y V=C)

• Michelson proceeded to invent a new instrument with accuracy far exceeding that which had been attained to that date, and that instrument is now universally called the Michelson interferometer. In trying to measure the speed of the Earth through the supposed "ether", you could depend upon one component of that velocity being known - the velocity of the Earth around the sun, about 30 km/s. Using a wavelength of about 600 nm, there should be a shift of about 0.04 fringes as the spectrometer was rotated 360°. Though small, this was well within Michelson's capability. Michelson, and everyone else, was surprised that there was no shift. Michelson's terse description of the experiment: "The interpretation of these results is that there is no displacement of the interference bands. ... The result of the hypothesis of a stationary ether is thus shown to be incorrect." (A. A. Michelson, Am. J. Sci, 122, 120 (1881))

• The proponents of an "ether" as a propagating medium for the light were not ready to give up the idea, and proposed that the Earth dragged the ether along with it in its orbit, thus accounting for the negative result of the interferometer experiment. Lord Rayleigh wrote to Michelson, urging him to repeat the experiment with greater accuracy to test these hypotheses. Michelson, with the collaboration of E. W. Morley, constructed a new interferometer with multiple mirrors and a pathlength about 10 times longer. This device should have given a fringe shift of about 0.4, but they observed less than 0.005 fringe (A. A. Michelson and E. W. Morley, Am. J. Sci., 134, 333 (1887)). Although repeated over the next 40 years with ever greater precision and the same negative result, this 1887 experiment is pointed to as one of the experimental foundations of relativity, and earned Michelson the Nobel Prize in 1907.

MICHELSON-MORLEY (INEXISTENCIA DEL ETER Y V=C)

REFERENCIAS

• A bit of history: Michelson http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/relativ/mmhist.html

• Experimento Davisson Germer http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/quantum/DavGer2.html

• El Experimento de Franck-Hertz* http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/FrHz.html

• El efecto Compton http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/compton/Compton.htm