Experimento de Franck-Hertz (Fiz0311)
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Experimento de Franck-Hertz
Objetivo
La experiencia de Franck-Hertz tiene por objetivos verificar:
- Si es posible excitar átomos mediante bombardeo de electrones de baja energía.
- Si la energía transferida por los electrones a los átomos tiene siempre valores discretos.
Materiales
- Tubo de Franck-Hertz
- Fuente de voltaje
- Horno eléctrico tubular
- Amplificador lineal
- Multitester
- Termómetro de mercurio
- Conectores
Introducción
Imaginemos un haz de electrones cuya energía pudiera determinarse, desplazándose entre los átomos de un gas de cierta densidad, como para asegurar la probabilidad de choques. Un dispositivo sensible para medir la corriente del haz después de los choques, nos permitiría detectar si algunos electrones han cedido su energía a los átomos del gas. Variando la energía de los electrones podríamos apreciar si a un determinado valor de energía los choques con los átomos no serían elásticos, habiendo entonces transferencia de energía. Esto se notaría por una disminución de la corriente del haz.
Teoría de la Experiencia
Para realizar ésta experiencia se necesita una fuente de electrones (filamento incandescente) y un dispositivo para transferir (acelerar) energía a dichos electrones en forma determinada. Un tríodo que contenga una gota de mercurio, reúne tales condiciones. Además tiene la ventaja que al calentar el tubo se puede variar la densidad de vapor para que el camino libre de los electrones sea pequeño comparado con la distancia entre el cátodo y el ánodo.
Los elementos están dispuestos acorde a la figura 1.
Entre la rejilla y el cátodo se aplica la tensión continua que permite determinar la energía transferida a los electrones según la relación:
Algunos de los electrones siguen su curso y pueden alcanzar el ánodo si es que su energía es igual o mayor a , ya que se mantiene un potencial de retardo (opositor) entre la rejilla y el ánodo (A). El potencial de la rejilla respecto del ánodo se deja flotante y deberías ser cercano a los
que se indican en la figura. Los electrones que llegan al ánodo dan origen a una corriente que es medida durante el experimento.
Mientras el potencial de aceleración es pequeño los electrones tienen choque elásticos con los átomos del vapor de
, pero si
es aumentado hasta un cierto valor
tal que la energía cinética del electrón provoque un choque inelástico con el átomo de
, éste absorberá dicha energía, el electrón no llegará al ánodo y se producirá una caída de corriente. Si se sigue aumentando
, 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, que corresponderán a igual número de choques inelásticos con transferencia de energía al gas de
, como se ilustra en la figura 2.
Simulación en la página http://phys.educ.ksu.edu/vqm/html/FranckHertz.html
Montaje Experimental
- 1) Encienda el horno
- 2) Ajuste el control del horno a la posición 5 y mida la temperatura. Para asegurarse que la temperatura haya alcanzado un estado estacionario utilice un termómetro de mercurio; inserte el termómetro en el horno.
- 3) Conecte el amplificador lineal, tal como se indica el apéndice. Utilice el cable coaxial de alta temperatura para la conexión del tubo Franck-Hertz.
- 4) Alrededor de aproximadamente una media hora después de haber conectado el horno, encienda la fuente.
- 5) Las demás conexiones se hacen como lo indica el apéndice. No aplique aún ninguna tensión entre rejilla y cátodo.
- 6) Caliente el filamento durante unos minutos. Para determinar la tensión en la rejilla coloque el amplificador lineal con una impedancia de
y amplificación
. Corrija el cero si es necesario (en el amplificador lineal). Luego eleve la tensión del ánodo a
, y comience a aumentar lentamente la tensión en la rejilla, observando en el osciloscopio el canal correspondiente. En el instante en que se produce un aumento brusco del brillo de la descarga, quiere decir que se ha originado una descarga de gas en el tubo. El valor de del voltaje en la rejilla en ese momento debe fluctuar entre
y
aprox.
- 7) Observe la variación de corriente en función del voltaje máximo de la rampa. Realice las mediciones el voltaje máximo hasta un máximo de caídas de corriente.
- 8) Cambie el osciloscopio por un PC con una interfaz Pasco. Obtenga una tabla de valores
versus
.
Análisis
- A partir del gráfico
- ¿Qué importancia representa la tensión en la rejilla?
- ¿Qué valor promedio de tensión en la rejilla utiliza Ud. en la experiencia?, ¿Qué sucedería si dicho valor resultara menor al esperado?
- Compare los resultados obtenidos en el gráfico
- Proponga un método para verificar los resultados de los valores de energía obtenidos en éste experimento.
Apéndice
Fuente de poder RAMP-60V
Es una fuente de poder de 0-60volts, que consta con dos modos de operación, modo manual y modo de barrido.
- Modo manual se puede ajustar el voltaje desde hasta
dc. Con la perilla rotulada VOLTS.
- Modo barrido genera una rampa con amplitud variable desde 0 hasta el voltaje máximo fijado por la perilla rotulada VOLTS. El
periodo de la rampa es de que se le puede dar un ajuste fino, mediante la perilla rotulada REPETICIÓN.
El instrumento consta de tres salidas, la primera rotulada SALIDA, la segunda rotulada VOLTIMETRO que permite medir la SALIDA con un voltimetro externo y la ultima a rotulada OSCILOSCOPIO EJE , atenuada por un factor 10 respecto a la
de SALIDA.
En la parte posterior del equipo se puede encontrar una salida auxiliar de ac. con corriente máxima permitida de
.
Nota: El BNC rotulado SALIDA y el BNC rotulado OSCILOSCOPIO no pueden conectarse entre sí de ninguna forma. Sus comunes deben estar aislados siempre.
