Compendio de Experimentos Clásicos de la Física Moderna

Camilo Andrés Bayona Aguilera-G2E06Camilo

Cuantización de la energía

La experiencia que realizaron Franck y Hertz en 1914 es uno de los experimentos claves que ayudaron a establecer la teoría atómica moderna. Nos muestra que los átomos absorben energía en pequeñas porciones o cuantos de energía, confirmando los postulados de Bohr.

En la figura, se muestra un esquema del tubo que contiene vapor de mercurio a baja presión con el que se realiza el experimento. El cátodo caliente emite electrones con una energía cinética casi nula. Ganan energía cinética debido a la diferencia de potencial existente entre el cátodo y la rejilla, véase el movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico.

ExperimentoDurante el viaje chocan con los átomos de vapor de mercurio y pueden perder energía.

Los electrones que lleguen a la rejilla con una energía cinética de 1.5 eV o más, impactarán en el ánodo y darán lugar a una corriente Ic. Los electrones que lleguen a la rejilla con una energía menor que 1.5 eV no podrán alcanzar el ánodo y regresarán a la rejilla. Estos electrones no contribuirán a  la corriente Ic.

Cuando un electrón experimenta una colisión inelástica con un átomo de mercurio lo deja en un estado excitado, volviendo al estado normal después de emitir un fotón de 2536 A de longitud de onda, que corresponde a una energía E=hf=hc/l de aproximadamente 4.9 eV. Esta radiación se puede observar durante el paso del haz de electrones a través del vapor de mercurio. En la simulación aproximaremos el valor de esta energía a 5 eV.

Efecto fotoeléctricoLa emisión de electrones por metales iluminados con luz de

determinada frecuencia fue observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. El proceso por el cual se liberan electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica. Sus principales características son:

Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.

Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.

Efecto ComptonA pesar de que en todas las investigaciones realizadas por

Compton y sus alumnos se puede tener una explicación de los fenómenos de interacción entre la luz y los electrones de la materia en términos estrictamente ondulatorios, resulto muchísimo mas sencillo explicar el denominado efecto Compton en términos de una interacción entre corpúsculos. Esto sirvió para dejar mucho mas en firme la hipótesis corpuscular de la luz reintroducida por Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico. Así pues quedo vigente para la luz la validez de una dualidad onda-partícula que permitía explicar las propiedades propagativas de la luz en términos de ondas y las propiedades interactivas en términos de partículas.

Relación de ComptonLa variación de longitud de onda de los fotones dispersados, puede

calcularse a través de:

Donde:h : es la constante de Planck.me : es la masa del electrón.

C : es la velocidad de la luz.θ : el ángulo entre los fotones incidentes y dispersados.

Propiedades ondulatorias de la materiaBroglie, en su tesis doctoral, propuso que se podrían unificar

los comportamientos de la radiación y la materia si no solo asociamos propiedades corpusculares a la radiación, si no que también asociamos propiedades ondulatorias a las partículas.

Con una partícula de masa muy pequeña como un electrón se podría en principio observar su naturaleza ondulatoria , haciendo que tenga un momento lineal pequeño y por tanto que tenga una longitud de onda apreciable como para permitir observar fenómenos de difracción o interferencia. Para ello se busca un aparato de dimensiones similares a la longitud de onda .

Inexistencia del Éter y v=cEl experimento de Michelson y Morley fue uno de los más

importantes y famosos de la historia de la física. Realizado en 1887 por Albert Abraham Michelson y Edward Morley está considerado como la primera prueba contra la teoría del éter. El resultado del experimento constituiría posteriormente la base experimental de la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Edward Morley (1838- 1923)

Abraham Michelson (1852-1931)

Arreglo experimentalEn un edificio cercano al nivel del mar, Michelson y

Morley construyeron lo que se conoce como el interferómetro de Michelson. Se compone de una lente semiespejo, que divide la luz monocromática en dos haces de luz que viajan en un determinado ángulo el uno respecto al otro.

Con esto se lograba enviar simultáneamente dos rayos de luz (procedentes de la misma fuente) en direcciones perpendiculares, hacerles recorrer distancias iguales (o caminos ópticos iguales) y recogerlos en un punto común, en donde se crea un patrón de interferencia que depende de la velocidad de la luz en los dos brazos del interferómetro.

Cualquier diferencia en esta velocidad (provocada por la diferente dirección de movimiento de la luz con respecto al movimiento del éter) sería detectada.