Experimento de Franck-Hertz

Objetivos

A través del estudio de colisiones entre electrones y moléculas de gas de mercurio se demuestra que en interacciones atómicas las energías están cuantizadas y que los sistemas atómicos tienen niveles discretos de energía. Una dispersión inelástica resulta en excitaciones cuantizadas de átomos de mercurio y en ionizaciones. Se observa la emisión de electrones en un filamento caliente y ciertos fenómenos termoiónicos.

Se basa en los procedimientos sugeridos por la guía del MIT (Experimento #7), complementados por Melissinos (página 8). No siga otros procedimientos. Aunque allí se usan equipos diferentes, sus procedimientos se puede adaptar a los equipos nuestros. Por ejemplo, a diferencia de Melissinos, nuestro tubo no tiene dos, sino una sola rejilla. El experimento tiene tres partes: I) dependencia de la corriente total con los voltajes del filamento y de aceleración, II) determinación del potencial de ionización del mercurio, y III) determinación del potencial de excitación del mercurio.

El primer dia copie y lleve para desarrollar las tres preguntas preparatorias que aparecen en la primera página de la guía del MIT. Las respuestas deben incluirse en el diario y hacen parte del reporte del experimento.

Observaciones y advertencias

- Complemente con el manual del fabricante (ELWE, documento 84 82 152). Puede tambien ver la guía de PHYWE (documento LEP 5.1.03), aunque esa se refiere a equipos diferentes.

- Debe hacer las conexiones a la caja que contiene el tubo antes de calentarlo con su horno, pues entonces se pone muy caliente. Para evitar quemarse, no toque la caja caliente del tubo.

- Maneje con cuidado el fragil termómetro. Coloque el termómetro en el orificio superior de la caja del tubo, de tal manera que su extremo inferior mida la temperatura del interior, pero sin llegar a tocar las resistencias del horno. La lectura del termómetro es mas precisa que la indicada por la rueda de control de la resistencia. Al finalizar una sesión saque el termómetro y guardelo en su caja.

- Cuide de no exceder la temperatura de 210 ºC. Observe frecuentemente la temperatura indicada por el termómetro. Hay que esperar varios minutos a que la temperatura alcance el valor deseado y se estabilice.

- No confunda el control de la resistencia del horno para evaporar mercurio en el tubo (al lado de la caja del tubo), con el control de la corriente del filamento para emitir electrones en el cátodo (Heater, en la caja de controles).

- No aplique un voltaje de aceleración alto a menos que el tubo esté caliente, pues el mercurio metálico podría causar descargas en el tubo. Evite descargas al no exceder voltajes de aceleración y al no poner corrientes muy altas al filamento.

- Use multímetros para medir valores precisos de voltajes y corrientes. Para corrientes use el multímetro TEK DMM 249 que posee mayor sensibilidad.

- Para las partes I y II, ponga el suiche "Manual/ Ramp 50 Hz" colocado en "Manual", use el multímetro para hacer medidas a varias temperaturas y con corrientes bajas, medias y altas en el filamento, en función del voltaje de aceleración.

- La parte I se hace inicialmente a temperatura ambiente, sin calentar el horno. A diferencia de la guía de MIT, no se puede hacer corto entre A (rejilla) y M (ánodo) o entre A y la salida del amplificador del ánodo. Hay entonces que medir una corriente parcial en la rejilla, y no una corriente total en el ánodo. Se trata de conocer el comportamiento del equipo y encontrar valores apropiados de las variables. No haga mediciones muy detalladas, sino crudas, ensayando diferentes combinaciones de voltaje en el filamento, voltaje de aceleracion y voltaje de retardo. Luego de terminar a temperatura ambiente, caliente el horno y repita a diferentes temperaturas.

- Para la parte II ensaye temperaturas entre 100 y 120º C. El equipo no permite poner el lado positivo del voltaje de retardo directamente al cátodo. Use la configuración que trae el equipo.

- Para la parte III ponga el suiche "Manual/ Ramp 50 Hz" colocado en "Ramp 50 Hz", use un osciloscopio para ver las curvas con mínimos y máximos. Use el canal 1 para eje horizontal X (voltaje de aceleración) y el canal 2 para el eje vertical Y (corriente en el anodo). En el control de "display" del osciloscopio puede escoger el "formato XY".

- Al terminar una sesión siempre recuerde bajar la temperatura de la resistencia a 0 ºC, apagar el suiche del horno y guardar el termómetro en su caja.

- Para extraer valores precisos de las curvas del osciloscopio, use el osciloscopio que tiene la capacidad de almacenar imágenes de la pantalla en un archivo grabado en un diskette. Entonces puede hacer ajustes a los puntos de las curvas para hallar máximos o mínimos. Menos preciso, pero aceptable, sería hacer un ajuste a una recta de  los voltajes en los mínimos vs el orden del mínimo. No es preciso medir distancias entre mínimos y luego hacer un promedio. Haga un análisis de datos y de errores lo mas completo posible. Incluya valores de incertidumbres en las medidas y barras de error en los gráficos.

14 de marzo de 2001