Compendio de Experimentos Clásicos de la Física Moderna

ANDRÉS FABIÁN DUQUE RINCÓN GIE08ANDRES

Experimentos clásicos de la Física Moderna

Frank-Hertz (cuantización de la

energía)

Efecto Fototeléctrico (dualidad de la luz)

Efecto Compton (universalidad de la dualidad de la luz)

Davisson and Germer (Propiedades ondulatorias

de la materia)

Michelson-Morley (Inexistencia del Eter y v=c)

Experimento de Frank-Hertz

Realizado en 1914 por los físicos alemanes James Frank (1882-1964) y Gustav Ludwig Hertz (1887-1975).

Su objetivo es el de probar la cuantización de los niveles de energía de los electrones en los átomos. Este experimento confirma el modelo de Bohr demostrando que los átomos solo pueden absorber cantidades específicas de energía.

Frank Hertz

Experimento de Frank-Hertz

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En los extremos de un tubo que contiene vapor de mercurio a baja presión se colocan un cátodo y un ánodo, antes del ánodo se ubica una rejilla.

El cátodo se calienta lo que hace que emita electrones con energía cinética casi nula. Los electrones ganan energía cinética gracias a el campo eléctrico existente entre el cátodo y la rejilla.

Durante el viaje de los electrones hacia el ánodo, estos chocan con el vapor de mercurio lo que hace que pierdan energía. Los electrones que logren llegar a la rejilla con una energía cinética de 1.5 eV lograrán llegar al ánodo, mientras que los que no regresan a la rejilla. Los electrones que impactan crean una corriente Ic.

Esta corriente Ic aumenta a medida que se aumenta el voltaje de aceleración, cuando el voltaje alcanza los 4.9 eV la corriente cae bruscamente lo que muestra que hay un fenómeno que hace que los electrones no lleguen al ánodo.

Este fenómeno ocurre porque los electrones excitados chocan con el vapor de mercurio.

Este choque inelástico deja los electrones del átomo de mercurio en un estado excitado, que regresa a su estado normal después de emitir un fotón de 2536 Armstrong de longitud de onda, lo que corresponde a aproximadamente 4.9 eV.

De esta forma cada 4.9 eV aproximadamente se da una caída similar, lo que sugiere una cuantización de los estados de energía.

Efecto fotoeléctrico

Efecto fotoeléctrico

La liberación de electrones de un material por acción de la radiación es lo que se conoce como efecto fotoeléctrico.

Cada substancia tiene su frecuencia mínima o umbral de radiación electromagnética por debajo de la cual, sin importar la intensidad, no se producen fotoelectrones.

La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación incidente ya que hay más energía disponible para liberar electrones.

Efecto fotoeléctrico

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Efecto Compton

Arthur Holly Compton 1892 -1962) fue un físico estadounidense galardonado con el premio Nobel de Física en 1927. Sus estudios de la noción cuántica de la radiación electromagnética como cuantos de energía y la mecánica relativista de Einstein dan con lo que se conoce como efecto Compton.

Efecto Compton

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

Compton observó la dispersión de rayos X por electrones en un blanco objetivo de carbono, y encontró que los rayos X tenían una longitud de onda más larga que las de los rayos incidentes. El desplazamiento de la longitud de onda, aumentaba con el ángulo de dispersión.

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Efecto Compton

Esto puede analizarse usando la formula de Compton:

Donde me es la masa del electrón, h la constante de Planck, c la velocidad de la luz y θ el ángulo de dispersión.

Compton explicó y modeló los datos, asumiendo una naturaleza de partícula (fotón) para la luz, y aplicando la conservación de la energía y la conservación del momento, a la colisión entre el fotón y el electrón.

El fotón dispersado tiene una energía más baja y por lo tanto una mayor longitud de onda.

El efecto Compton constituyó la demostración final de la naturaleza cuántica de la luz tras los estudios de Planck sobre el cuerpo negro y la explicación de Albert Einstein del efecto fotoeléctrico.

Experimento de Davisson-Germer

Fue un experimento conducido por los físicos americanos Clinton Davisson (1881-1958) y Lester Germer (1896-1971) en los años de 1923 a 1927, que confirmo la hipótesis de Broglie. En resumen la hipótesis lo que plantea es que partículas de materia tales como los electrones poseen comportamiento de onda.

El experimento no solo demuestra la dualidad onda-partícula sino que también se convierte en uno de los pilares de la mecánica cuántica y de la ecuación de Schrödinger.

Davisson y Germer

Experimento de Davisson-Germer

Davisson y Germer diseñaron y construyeron un aparato de vacío, con el fin de medir las energías de los electrones dispersados desde una superficie de metal. Los electrones procedentes de un filamento caliente, fueron acelerados por una tensión, y dirigidos para golpear una superficie de metal de níquel.

Experimento de Davisson-Germer

El haz de electrones era dirigido al blanco de níquel, que podía girar para observar la dependencia angular de los electrones dispersados. Su detector de electrones (llamado caja de Faraday), fue montado sobre un arco, de modo que pudiera ser girado para observar los electrones en diferentes ángulos.

Experimento de Davisson-Germer

Con los datos obtenidos se dieron cuenta de que en ciertos angulos había un pico en la intensidad del haz de electrones dispersados. Estos picos indicaban un comportamiento propio de una onda en los electrones, y los valores resultantes podían ser interpretados por la ley de Bragg.