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Pratica5

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Pratica5

  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE CIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA LICENCIATURA PLENA EM FÍSICA Prática 5: Efeito fotoelétrico Elissandro Aquino Mendes(343766) Disciplina: Princípios de Física Moderna Professor: José Alves Fortaleza 2013
  2. 2. Objetivos - Observar o efeito fotoelétrico; Estudar a característica Corrente-Voltagem, para uma frequência de luz com diferentes intensidades; Estudar a característica Corrente-Voltagem, para uma intensidade de luz com diferentes frequências; Determinar experimentalmente a constante de Planck a partir do efeito fotoelétrico; Material - Caixa com lâmpada de mercúrio; Caixa com fotocélula; Base metálica; Aparelho para o efeito fotolétrico; Fonte de alimentação para a lâmpada de mercúrio e aparelho para efeito fotoelétrico; Conjunto com cinco filtros de interferência e três janela com diferentes aberturas; Cabos com terminais DIN; Cabo BNC; Cabos (02); Fundamentos Já sabemos de estudos anteriores que para explicar o espectros atômicos de emissão e absorção, foram propostos alguns modelos, dentro os quais o que teve sucesso, em determinadas condições, definitivo, foi o modelo atômico de Niels Bohr (1885-1962), proposto no ano de 1913, que tinha alguns postulados que apesar de parcialmente compreensível ao pensamento clássico da época, teve uma grande pitada de coragem e genialidade, ao perceber que deveria-se romper com algumas características clássica e adotar para a matéria características quantizadas que foram propostas nos trabalhos de Max Planck sobre a radiação do corpo negro e por Einstein nos seus trabalhos sobre o efeito fotoelétrico. A teoria de Bohr baseava-se nos seguinte postulados: 1) Os elétrons move-se em órbitas circulares e com raios determinados (estado estacionário); 2) Quando nessas órbitas os elétrons não emitem radiação; 3) Essa órbitas são tais que temos a seguinte expressão para o momento angular do eletrón: ;
  3. 3. 4) Ao mudar de um estado estacionário (órbita) para outro, tem-se a emissão de um fóton, cuja frequencia é dada pela expressão: , tendo-se Ep> Eq; De posse desses postulados, Bohr pode tecer sua teoria e predizer com grande precisão o espectro atômico para o Hidrogênio e também para átomos hidrogenóides. Suas bases eram incertas, mas tinha a precisão experimental para serem, de fato, considerada como válidas. A cerca disso Einstein falou: “Que essas bases incertas e contraditórias tenham permitido a Bohr descobrir as leis que regem as linhas espectrais e as camadas eletrônicas dos átomos, bem como seu significado para a química, pareceu-me como um milagre” Bem, a certeza da precisão e validade da teoria de Bohr que tanto assustava Einstein e tantos outros cientistas à época, só veio a aumentar quando os cientistas James Franck e Gustav Hertz realizaram uma série de experimentos que no ano de 1914, pelos quais foram lauraeados com o Nobel de 1925. A importancia desses experimentos vem do fato de que até o momento o caratér quantizado da transferência de energia se restringiam essencialmente a emissão e absorção de radiação. Com os experimentos, viu-se pela primeira vez a quantização da transferência de energia cinética, sendo a transmissão realizada pelas colisões, como veremos na descrição qualitativa do experimento que apresentamos abaixo. Segue um diagrama esquemático do dispositivo: Figura 1. Desenho esquemático de uma válvula triodo usada no experimento de FranckHertz.(http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/frhz.html) Dentro dessa válvula, onde fez-se vácuo, temos vapor de mercúrio, de forma que os elétrons ejetados pelo catodo aquecido poderão chocar-se com os
  4. 4. átomos de mercúrio no seu caminho até a placa coletora, essa placa é mantida em um potencial levemente repulsivo. Portanto os elétrons são acelerados pelo diferença de potencial entre o catodo e a grade, porém, somente os elétrons que consigam vencer o potencial negativo do anodo irão ser coletados pela placa. O que os cientistas perceberam foi que a corrente na placa coletora, formada pelos elétrons que a atingiam, variava com o potencial de aceleração aplicado à grade. Porém eles perceberam, também que para certas faixa de valores dessadiferença de potencial aceleradora, a corrente se reduzia apresentando o comportamento exibido abaixo (para o mercúrio): Figura 1. Gráfico do comportamento da corrente com a tensão aceleradora.(http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/frhz.html) Franck e Hertz, mediram a tensão onde iniciava-se a queda da corrente e encontraram um valor próximo a 4.89 eV. Sendo que os demais picos ocorriam em mútiplos desse valor, como pode ser visto no gráfico e como iremos comprovar na presente prática. Logo, Franck e Hertz identificaram esse comportamento com o descrito pela teoria de Bohr, e assim comprovaram-na mais uma vez, identificando que os átomos de mercúrio ao serem atingindos por elétrons com determinados valores enérgeticos, se excitavam e acabavam por “roubar” a energia desse elétrons fazendo com que os mesmo não atingissem a placa coletora, reduzindo assim a corrente. Os demais picos podem ser explicado, extendendo-se esse comportamento de forma que ao aumenta a energia dos elétrons, uma fração significativa deles somente serão “parados” pelos átomos de mercúrio quando tiverem uma valor de enérgia múltiplo de 4.89 eV.
  5. 5. Procedimento Devido a problemas técnicos com os equipamentos relativos a prática, a exibição da geração do gráfico relacionando a corrente na placa com a tensão aceleradora não foi realizada. Nos foi dado um exemplar de uma plotagem realizada em iguais condições, a partir dos quais serão respondidas as questões relativas à prática. Questionário (respostas) 1. A partir da diferença entre dois máximos consecutivos no gráfico da corrente, obtenha a energia de excitação dos átomos de mercúrio e compare com o resultado obtido usando a diferença entre dois mínimos. Discuta os resultados encontrados; R: 2. Veja na literatura qual é a energia de ionização do átomo de Hg. A partir do experimento de Franck-Hertz você poderia determiná-la ? Justifique. R: 3. Considere que 4,88 eV é a energia necessária para o átomo de mercúrio passar do estado fundamental para o primeiro estado excitado. Então, ao passar do estado excitado para o fundamental, o mercúrio deveria produzir uma linha no espectro com que comprimento de onda ? Esta linha está em que faixa do espectro eletromagnético ? R:
  6. 6. 4. Em uma experiência tipo Franck-Hertz, bombardeia-se hidrogênio atômico com elétrons e obtêm-se os potenciais de excitação em 10,21 V e 12,10 V. (a) Explique a observação de que três linhas diferentes de emissão espectral acompanham essas excitações. (b) Determine as frequências e comprimento de onda das linha espectrais observadas. (Sugestão: trace um diagrama de níveis de energia). R: Conclusão Nessa prática conseguimos verificar a energia de excitação para átomos de mercúrio. Entendemos que esse fato é essencial para mostra a validade do fato central da teoria de Bohr, qual seja, a quantização da energia dos elétrons, mesmo sendo essa energia transferida pela colisão dos mesmos com átomos mais pesados, e esses últimos, mostrando também um comportamento quantizado nessa absorção. Mesmo não podendo aplicar diretamente a teoria para átomos mais pesados, vimos que a característica de quantização é universal e perceptível em escala atômica. Bibliografia Fisica IV, Sears & Semansky 12ed; Física Básica Vol 4, Moysés Nussenzveig; http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/frhz.html (Acessado em 28/11/2013); http://pt.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Franck-Hertz (Acessado em 28/11/2013);

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