COMPENDIO DE EXPERIMENTOS CLÁSICOS DE LA FÍSICA

MODERNA

LUIS ALFREDO GUTIERREZ PAYANENE-G1E12LUIS-

07-06-2015

FRANK-HERTZ (CUANTIZACIÓN DE LA ENERGÍA) • En 1914 James Franck y Gustav Hertz encontraron evidencia experimental todavía más directa sobre la

existencia de niveles de energía en átomos. Franck y Hertz estudiaron el movimiento de electrones a través de vapor de mercurio, bajo la acción de un campo eléctrico. Encontraron que cuando la energía cinética de los electrones era 4.9 eV o mayor, el vapor emitía luz ultravioleta con 0.25 µm. Suponga que los átomos de mercurio tienen un nivel de energía de 4.9 eV arriba del nivel de energía mínimo. Un átomo puede elevarse a este nivel por choque contra un electrón; después regresa al nivel mínimo de energía, emitiendo un fotón. De acuerdo con la ecuación de energía de un fotón la longitud de onda del fotón debería ser:

• Esto es igual a la longitud de onda medida, y se confirma la existencia de este nivel de energía en el átomo de mercurio. Con experimentos similares con otros átomos se obtiene la misma clase de evidencia para los niveles de energía en átomos.

FRANK-HERTZ (CUANTIZACIÓN DE LA ENERGÍA)

EFECTO FOTOELÉCTRICO

• El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones cuando la luz choca contra una superficie. Este efecto tiene muchas aplicaciones prácticas. Para escapar de una superficie, el electrón debe absorber energía suficiente de la radiación incidente para superar la atracción de los iones positivos del material de la superficie. Esta atracción produce una barrera de energía potencial, que confina a los electrones al interior del material. Imagine que esta barrera se parece a una orilla redondeada que separa el asfalto vehicular de una acera elevada. La orilla mantendrá en el asfalto un balón de fútbol soccer que ruede lentamente. Pero si se patea el balón con suficiente fuerza, puede rodar subiendo por la orilla, y el trabajo efectuado contra la atracción gravitacional (la ganancia de energía potencial gravitacional) es igual a su pérdida de energía cinética.

EFECTO COMPTON

• Un fenómeno llamado dispersión de Compton, que explicó por primera vez el físico estadounidense Arthur H. Compton, ofrece una confirmación adicional directa de la naturaleza cuántica de los rayos x. Cuando esos rayos chocan con la materia, algo de su radiación se dispersa, de la misma forma que la luz visible que incide sobre una superficie áspera sufre una reflexión difusa. Compton y otros científicos descubrieron que parte de esa radiación dispersada tiene menor frecuencia (mayor longitud de onda) que la radiación incidente, y que el cambio de longitud de onda depende del ángulo en el que se dispersa la radiación. En forma específica, la radiación dispersada sale formando un ángulo φ con la radiación incidente, y si λ y λ’ son las longitudes de onda de la radiación incidente y de la dispersada, respectivamente, se ve que

Donde m es la masa en reposo del electrón.

DAVISSON AND GERMER (PROPIEDADES ONDULATORIAS DE LA MATERIA)

• En 1927 Clinton Davisson y Lester Germer, trabajando en los Bell Telephone Laboratories, estudiaban la superficie de una pieza de níquel, dirigiendo a ella un haz de electrones y observando cuántos electrones rebotaban a distintos ángulos. La figura muestra un arreglo experimental como el de ellos. La muestra era policristalina: como muchos otros metales, estaba formada por muchos cristales microscópicos unidos, con orientaciones aleatorias. Los investigadores esperaban que hasta la superficie más lisa posible se seguiría viendo áspera, según un electrón, y que el haz de electrones se reflejaría en forma difusa, con una distribución uniforme de intensidad, en función del ángulo ϴ.

• Durante el experimento se produjo un accidente, y entró aire en la cámara de vacío, formándose una película de óxido en la superficie del metal. Para quitar esa película, Davisson y Germer calentaron la muestra en un horno de alta temperatura, casi hasta la fusión. Ellos no lo sabían, pero lo anterior causó la formación de grandes regiones monocristalinas, con planos cristalinos continuos en el ancho del haz de electrones.

DAVISSON AND GERMER (PROPIEDADES ONDULATORIAS DE LA MATERIA)

• Cuando se repitieron las observaciones, los resultados fueron muy distintos. Se formaron máximos en la intensidad del haz de electrones reflejado, en ángulos específicos figura (a), en contraste con la variación uniforme de intensidad en función del ángulo, que habían observado Davisson y Germer antes del accidente. Las posiciones angulares de los máximos dependían del voltaje , de aceleración que se usó para producir el haz de electrones. Davisson y Germer estaban familiarizados con la hipótesis de De Broglie, y notaron la semejanza de esta figura con la de difracción de rayos x. No era el efecto que estaban buscando, pero de inmediato reconocieron que el haz de electrones se estaba difractando. Habían descubierto una confirmación experimental muy directa de la hipótesis ondulatoria

DAVISSON AND GERMER (PROPIEDADES ONDULATORIAS DE LA MATERIA)

• Davisson y Germer pudieron determinar las rapideces de los electrones a partir del voltaje de aceleración, y pudieron calcular la longitud de onda de De Broglie con la ecuación de longitud de onda de De Broglie para un electrón. Los electrones se dispersaban principalmente por los planos atómicos en la superficie del cristal. Los átomos de un plano superficial están ordenados en filas, y se puede determinar su distancia d usando técnicas de difracción de rayos x. Esas filas funcionan como una rejilla de difracción reflejante; los ángulos en que hay reflexión intensa son iguales que para una rejilla con distancia d de centro a centro de sus rendijas figura (b). Se calcularon los ángulos de reflexión máxima con la ecuación:

donde u es el ángulo de la figura (b) Los ángulos determinados con esta ecuación, usando la longitud de onda de De Broglie, concordaron con los valores observados figura (a). Así, el descubrimiento accidental de la difracción de electrones fue la primera prueba directa que confirmaba la hipótesis de De Broglie

1. MICHELSON-MORLEY (INEXISTENCIA DEL ETER)

La aplicación original del interferómetro de Michelson fue en el histórico experimento de Michelson y Morley. Antes de que se establecieran la teoría electromagnética de la luz y la teoría especial de la relatividad de Einstein, la mayoría de los físicos creían que la propagación de las ondas luminosas tenía lugar en un medio llamado éter, el cual se suponía que estaba presente en todo el espacio. En 1887 los científicos estadounidenses Albert Michelson y Edward Morley usaron el interferómetro de Michelson en un intento por detectar el movimiento de la Tierra a través del éter. Suponga que el interferómetro en la figura se mueve de izquierda a derecha en relación con el éter en la figura (b). De acuerdo con la teoría del éter, esto ocasionaría cambios en la rapidez de la luz en las partes de la trayectoria que se indican con líneas horizontales en la figura. Habría desplazamientos en las franjas en relación con las posiciones que éstas tendrían si el instrumento estuviera en reposo en el éter. Entonces, cuando todo el instrumento se hizo girar 90°, las otras partes de las trayectorias se verían afectadas en forma similar, lo que produciría un desplazamiento de las franjas en la dirección opuesta.

1. MICHELSON-MORLEY (INEXISTENCIA DEL ETER)

Michelson y Morley esperaban que el movimiento de la Tierra a través del éter provocara un desplazamiento de las franjas de alrededor de cuatro décimos de franja cuando se hiciera girar el instrumento. El desplazamiento que se observó en la realidad fue de menos de un centésimo de franja y, dentro de los límites de la incertidumbre experimental, parecía ser exactamente igual a cero. A pesar de su movimiento en órbita alrededor del Sol, la Tierra parecía estar en reposo en relación con el éter. Este resultado negativo desconcertó a los físicos hasta que Einstein desarrolló la teoría especial de la relatividad en 1905. Einstein postuló que la rapidez de una onda luminosa en el vacío tenía la misma magnitud c en relación con todos los marcos de referencia inerciales, sin importar cuál fuera su velocidad relativa de unos con respecto a otros. Se supo entonces que el supuesto éter no desempeñaba ningún papel, y el concepto fue abandonado.