Experimento de Franck-Hertz con tubo de Hg TEP 5.1.03 - 11 Temas relacionados Cuantos de energía, saltos cuánticos, colisión de electrones, energía de excitación, modelo de capa de Bohr Principio Los electrones se aceleran en un tubo lleno de vapor de mercurio. La energía de excitación del mercurio se determina a partir de la distancia entre los mínimos equidistantes de la corriente de electrones en un campo eléctrico opuesto variable. Equipo 1 unidad de operación Franck-Hertz 09105.99 1 tubo de Franck-Hertz Hg en placa 1 09105.10 horno Franck-Hertz 09105.93 1 termopar NiCr-Ni 13615.01 1 cable de conexión de 5 pines, para tubo Hg 09105.30 1 cable BNC apantallado, l = 75 cm 1 cable de 07542.11 datos RS 232 14602.00 1 software de Franck-Hertz 14522.61 PC, Windows® 95 o superior Equipamiento adicional: 1 osciloscopio, 30 MHz, 2 canales 11459.95 2 Adaptador, conector BNC / par de clavijas de 4 07542.27 mm 2 Cable apantallado, BNC, l = 75 cm 07542.11 Fig.1: Configuración para el experimento de Franck-Hertz con PC. www.phywe.com P2510311 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG © Todos los derechos reservados 1 TEP Experimento de Franck-Hertz 5.1.03- con tubo de Hg 11 Tareas Registre la fuerza en contracorriente I en un tubo de Franck-Hertz en función del voltaje del ánodo U. Delaware- termine la energía de excitación mi a partir de las posiciones de los mínimos o máximos de intensidad actual por formación de diferencias. Montaje y procedimiento Configure el experimento como se muestra en la Fig. 1. Para obtener más información, consulte las instrucciones de funcionamiento de la unidad. 09105.99. Conecte la unidad de operación al puerto de computadora COM1, COM2 o al puerto USB (use USB a RS232 Adapter Converter 14602.10). Inicie el programa de medición y seleccione Cobra3 Franck-Hertz experiment Gauge. Aparece la ventana “Experimento de Frank-Hertz - medición” (ver Fig. 2). Los parámetros óptimos son diferentes para cada tubo de Hg. Encontrará los parámetros específicos para su dispositivo en una hoja que se incluye en el paquete del tubo de Hg. Elija los parámetros para U1, U2 y UH como se indica en esa hoja y asegúrese de que el resto esté configurado como se muestra en la Fig. 2. Presione el botón Continuar. Fig. 3: Principio de medición. Ahora el horno del tubo de Franck-Hertz se calentará a 175 ° C. Espere otros 30 minutos antes de comenzar. Realice la medición para asegurarse de que el interior del tubo también alcance su temperatura final. En un voltaje particular U 1 = U Z, que depende de la temperatura, se produce una descarga luminiscente entre el ánodo y el cátodo a través de la ionización. Por lo tanto, las mediciones significativas solo se pueden tomar con voltajes < U Z. U1 Fig. 2: Parámetros de medición. 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG © Todos los derechos reservados P2510311 Experimento de Franck-Hertz con tubo de Hg TEP 5.1.03 - 11 Teoría y evaluación Niels Bohr introdujo el modelo planetario del átomo en 1913: un átomo aislado consiste en un núcleo cargado positivamente alrededor del cual los electrones se distribuyen en órbitas sucesivas. También postuló que solo t norte HoOcurren h s / e 2π órbitas para las cuales el momento angular del electrón es un múltiplo integral de h / 2π, es decir , dónde norte es un número entero y h es la constante de Planck. La imagen de Bohr de electrones en estados discretos con transiciones entre esos estados que producen radiación cuya frecuencia está determinada por las diferencias de energía entre estados puede derivarse de la mecánica cuántica que reemplazó a la mecánica clásica cuando se trata de estructuras tan pequeñas como átomos. Parece razonable a partir del modelo de Bohr que así como los electrones pueden hacer transiciones hacia abajo desde estados de energía superior permitidos a estados inferiores, pueden excitarse hacia estados de energía superior absorbiendo precisamente la cantidad de energía que representa la diferencia entre los estados inferior y superior. . James Franck y Gustav Hertz demostraron que este era, de hecho, el caso en una serie de experimentos informados en 1913, el mismo año en que Bohr presentó su modelo. Los electrones emitidos por un cátodo termoiónico se aceleran entre el cátodo C y el ánodo A en el tubo lleno de vapor de mercurio (Fig. 3) y se dispersan por colisión elástica con átomos de mercurio. De un voltaje de ánodo U 1 de 4,9 V, sin embargo, la energía cinética de los electrones es suficiente para llevar la va- lence electrón del mercurio al primer nivel de excitación 6 3 PAG 1 por una colisión inelástica. Debido a la pérdida de energía que la acompaña, el electrón ya no puede atravesar el campo opuesto entre el ánodo A y contraelectrodo S: la corriente I es mínima. Si ahora aumentamos aún más el voltaje del ánodo, la energía cinética del electrón es nuevamente suficiente para superar el campo opuesto: la intensidad de la corriente I aumenta. Cuándo U 1 = 2x4,9 V la energía cinética es tan alta que se pueden excitar dos átomos en sucesión por el mismo electrón: obtenemos un segundo mínimo (Fig. 4). La gráfica de Yo / u 1 por tanto, muestra máximos y mínimos equidistantes. Sin embargo, estos mínimos no están muy bien definidos debido a la temperatura inicial. distribución de las velocidades de los electrones. El voltaje U 1 entre el ánodo y el cátodo está representado por = + (Φ −Φ) dónde U es el voltaje aplicado, y A y C los voltajes de la función de trabajo del ánodo y el cátodo mi se determina a partir de las diferencias de voltaje en los mínimos, los voltajes de la específicamente. Como la energía de la excitación función de trabajo no tienen importancia aquí. Según la teoría clásica, los niveles de energía a los que se excitan los átomos de mercurio podrían ser aleatorios. De acuerdo con la teoría cuántica, sin embargo, un nivel de energía definido debe asignarse repentinamente a el átomo en un proceso elemental. El curso de la Yo / u A La curva se explicó por primera vez sobre la base de este punto de vista y, por lo tanto, representa una confirmación de la teoría cuántica. El átomo de mercurio excitado vuelve a liberar la energía que ha absorbido, con la emisión de un fotón. Cuando la energía de excitación E es 4.9 eV, la longitud de onda de este fotón es = ℎ = 253 dónde c = 2.9979 · 10 8 yh = 4.136 · 10- 15 eV y, por lo tanto, se encuentra en el rango de UV. Para nuestra evaluación determinamos los valores de voltaje de los mínimos. De las diferencias entre estos valores obtenemos la energía de excitación mi del átomo de mercurio tomando un promedio. Al evaluar las medidas en la Fig.4 obtuvimos el valor E = (4,86 ± 0,09) eV. www.phywe.com P2510311 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG © Todos los derechos reservados 3 TEP 5.1.03- 11 Experimento de Franck-Hertz con tubo de Hg Fig.4: Ejemplo de una curva de Franck-Hertz registrada con T = 175 ° C y U2 = 2 V. Notas - En general, los primeros mínimos son más fáciles de observar a bajas temperaturas. Por otro lado, obtenemos un mayor número de mínimos a temperaturas más altas, ya que la tensión de encendido del tubo se eleva a valores más altos. - Debido a las variaciones de temperatura del horno, se pueden obtener niveles ligeramente diferentes de corriente de recolección para mediciones repetidas con el mismo voltaje de aceleración. Sin embargo, la posición de los máximos no se ve afectada. - Cuando el interruptor bimetálico enciende y apaga el horno, hay un cambio de carga en la red de CA, lo que provoca un pequeño cambio en el voltaje de aceleración establecido. Esto debe tenerse en cuenta si la conmutación tiene lugar justo cuando se está registrando la curva. - La posición de los máximos para la corriente de recolección permanece sin cambios cuando cambia la polarización inversa, pero la posición de los mínimos se desplaza un poco. El nivel de la corriente de recolección media disminuye al aumentar el sesgo inverso. 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. 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