PRACTICA DE LABORATORIO Nº 4 ESTRUCTURA ATÓMICA
EXPERIMENTO Nº 1: EXPERIMENTO CON EL TUBO DE RAYOS CATÓDICOS DE THOMSON. I. OBJETIVOS
Determinar la relación carga/masa del electrón considerando las variables: desviación de un haz de electrones (rayos catódicos) y la magnitud del campo eléctrico - campo magnético que generan la desviación. Comparar la el valor de la relación carga/masa obtenida en el experimento con el valor aceptado y calculado por Thomson.
II. FUNDAMENTO TEÓRICO Los rayos catódicos son corrientes de electrones observados en tubos de vacío, es decir los tubos de cristal que se equipan por lo menos con dos electrodos, un cátodo (electrodo negativo) y un ánodo(electrodo positivo) en una configuración conocida como diodo. Cuando se calienta el cátodo, emite una cierta radiación que viaja hacia el ánodo. Si las paredes internas de vidrio detrás del ánodo están cubiertas con un material fluorescente, brillan intensamente. Una capa de metal colocada entre los electrodos proyecta una sombra en la capa fluorescente. Esto significa que la causa de la emisión de luz son los rayos emitidos por el cátodo al golpear la capa fluorescente. Los rayos viajan hacia el ánodo en línea recta, y continúan más allá de él durante una cierta distancia. En el año 1897, el físico inglés Joseph John Thomson estudió el comportamiento y los efectos de los rayos catódicos. En sus experimentaciones observó que cuando en un tubo de vidrio que lleva soldados dos electrodos conectados a una gran tensión (de 20000 a 100000 voltios) se hace el vacío (aproximadamente 0,001 mmHG), al producirse una descarga se aprecia una luminosidad o fluorescencia verdosa en la pared localizada frente al cátodo, que los investigadores supusieron que era debida a la existencia de unos rayos procedentes del electrodo negativo, que llamaron rayos catódicos. Según las observaciones de Thomson, estos rayos:
Se propagan en línea recta.
Al colocar un imán, se produce un campo magnético el cuál desvía a los rayos catódicos. (Regla de la mano derecha)
Producen efectos mecánicos, térmicos, químicos y luminosos.
Si se pone unas aspas delante, las hace girar, demostrando así que el electrón tiene masa.
Sus componentes, los electrones, son universales, puesto que al cambiar el gas contenido en el tubo, no cambia la naturaleza de los rayos.
El físico inglés J.J Thomson, en 1897, al estudiar las propiedades y los efectos de los rayos catódicos, dedujo inicialmente su carácter corpuscular y su naturaleza eléctrica negativa. Una vez hecho el estudio de la relación carga/masa para tales partículas, se obtuvo siempre el mismo valor (1,758796 × 1011 C/kg) fueran cuales fuesen las condiciones en las que se produjeran los rayos y la naturaleza del gas encerrado en el tubo.
III. PARTE EXPERIMENTAL 1.Equipos y materiales
Fuente de rayos catódicos Un campo eléctrico catódicos Un par Rayos de imanes Una pantalla fosforecente
2.Diagrama experimental Fijary/procedimiento la intensidad de corriente en 1 uAy la energía cinética en 100eV
Campo magnético a 30uT Anotar las observaciones Fijar campo magnético de regreso a cero
Campo eléctrico a 10 V Anotar las observaciones Variar la magnitud del campo eléctrico (generando desviación) Balancear la fuerza eléctrica aumentando el valor del campo magnético
Datos experimentales (desviación, campo eléctrico y magnético
3. Observaciones experimentales y/o datos tabulados
Con el campo magnético en 30uT, la mancha se desplazó 3.5 cm a la derecha del centro. Con el campo eléctrico en 10 V, la mancha se desplazó 4 cm a la derecha del centro.
Tabla N° 1: Desviación producida, campo eléctrico y campo magnético Dat o
Desviación [d]
Campo eléctrico que pr oduce la desviación[ V]
Campo magnético que balancea la fuerza eléctric a [B]
1
2.0 cm
5V
17 uT
2
3.5 cm
9V
30 uT
3
4.0 cm
10 V
34 uT
4 5
5.0 cm 5.5 cm
13 V 14 V
44 uT 47 uT
4. Cálculos, reacciones químicas y/o resultados tabulados
Se reemplazó los datos de la Tabla N°1 en la fórmula: Relación carga/masa: Tabla de resultados N° 1: Valor de la relación carga electrica/masa
1
Carga electrica/masa (e/m) -1.7586x1011
2
-1.7789x1011
3
-.7587x1011
4
1.7064x1011
5
1.7716x1011
Valor Promedi
1.7548 x1011
Dato
Porcentaje de error: % Error porcental = 1.7548 x1011 – 1.7588 x1011 x 100 = 0.22 %
1.7588 x10 11 5. Discusión de resultados Los rayos catódicos (electrones se originan en la placa negativa (cátodo) y se aceleran hacia la placa positiva (ánodo) que tiene un agujero en el centro. Un haz de electrones por el agujero, y su trayectoria se desvía posteriormente con la acción de los campos eléctrico y magnético. El haz de rayos catódicos choca con el punto centro de la pantalla fosforescente si las fuerzas ejercidas sobre el haz por los campos eléctrico y magnético se contrarrestan o si estas son nulas. Conociendo la intensidad del campo eléctrico y magnético y la desviación producida sobre la dirección del haz, se puedo calcular la relación carga eléctrica-masa del electrón. En el experimento, el valor de e/m que se obtuvo es muy cercano al resultado actualmente conocido ya el error porcentual fue de solo 0.22 %.
III. CONCLUSIONES
Se logró determinar la relación carga/masa del electrón considerando las variables: desviación de un haz de electrones (rayos catódicos) y la magnitud del campo eléctrico - campo magnético que generan la desviación. Se Comparaó la el valor de la relación carga/masa obtenida en el experimento con el valor aceptado y calculado por Thomson.
A. Experimento Nº 2: Experimento de la gota de aceite de Millikan I. OBJETIVOS
Calcular el valor de la carga eléctrica del electrón. Obtener la magnitud de la masa del electrón por medio de la relación de carga/masa obtenida en el experimento N°1 Comparar los valores experimentales con los aceptados y conocidos hoy.
II. FUNDAMENTO TEÓRICO A partir del año 1900, mientras era profesor en la Universidad de Chicago, Millikan, con la importante aportación de Fletcher, trabajó en el experimento de la gota de aceite con el que midió la carga de un único electrón. Después de una publicación sobre sus primeros resultados 1 en 1910. Su experimento mide la intensidad de fuerza eléctrica contra la fuerza de atracción gravitatoria en las minúsculas gotas de aceite, cargadas por rozamiento, suspendidas entre dos electrodos metálicos. Conociendo el campo eléctrico, se determina la carga en la gota. Repitiendo el experimento para muchas gotas, Millikan demostró que los resultados podían ser explicados como múltiplos enteros de un valor común 1,592x1019 C, la carga de un único electrón. La llamada carga elemental e es una de las constantes físicas fundamentales y su valor exacto es de gran importancia. En 1923, Millikan, ganó elPremio Nobel de física, en parte debido a este experimento. Aparte de la medición, la belleza del experimento de la gota de aceite reside en que es una simple y elegante demostración práctica de que la carga está en realidad cuantizada. Thomas Edison, quien había considerado la carga como una variable continua, se convenció después de trabajar con el aparato de Millikan y Fletcher. Este experimento ha sido repetido por generaciones de estudiantes de física, aunque es bastante caro y difícil de hacer correctamente. El aparato de Robert Millikan incorpora un par de placas metálicas paralelas horizontales. Al aplicar una diferencia de potencial entre las placas, se crea un campo eléctrico uniforme en el espacio entre ellas. Se utilizó un anillo de material aislante para mantener las placas separadas. Cuatro agujeros se cortaron en el anillo, tres para la iluminación con una luz brillante, y otra para permitir la visualización a través de un microscopio.
Una fina niebla de gotas de aceite se roció a una cámara por encima de las placas. El aceite era de un tipo utilizado normalmente en aparatos de vacío y fue elegido porque tenía una presión de vaporextremadamente baja. El aceite ordinario se evaporaría bajo el calor de la fuente de luz causando que la masa de la gota de aceite cambiara durante el transcurso del experimento. Algunas gotas de aceite se cargaban eléctricamente a través de la fricción con la boquilla cuando fueron rociadas, mientras otras se descargaban hasta hacerse cationes y otras se volvían neutras. Como alternativa, la carga podría llevarse a cabo mediante la inclusión de una fuente de radiación ionizante (como un tubo de rayos X).
III. PARTE EXPERIMENTAL 1.Equipos y materiales
Campo eléctrico Cámara de video con ocular microscópico Un campo eléctrico
2.Diagrama y/o procedimiento experimental Se midió determinadas distancias recorridas por una gota y el tiempo que tardó en realizarlas. Sé midió el voltaje necesario para detener la caída de la gota. Se repitió las mediciones para otras gotas. Las gotas de aceite caen a su velocidad terminal, que es la velocidad máxima posible debida a fuerzas de fricción como la resistencia del aire. La velocidad terminal es una función del radio de la gota. Al medir la velocidad terminal (vt) de una gota, se puede calcular su radio (r). Después se puede calcular la masa (m) de la gota a partir de su radio y la densidad del aceite. Al conocer la masa de la gota de aceite, se puede calcular la carga (Qtot) sobre la gota. 3. Observaciones experimentales y/o datos tabulados
Tabla de datos N°2: Voltaje de frenado -tiempo - distancia recorrida gota
voltaje (V, en vo lts)
tiempo (t, en segun dos)
1 2 3 4
290 372 906 500 424
4.18 4.18 6.56 5.89 4.07
distancia (d, en me tros) 0.375x10-3 0.5x10-3 0.5x10-3 0.625x10-3 0.375 x10-3
4. Cálculos, reacciones químicas y/o resultados tabulados utilizó las siguientes formulas:
Se
Tabla de resultados N°2: parámetros para calcular la carga totalcarga total - Carga eléctrica del electrón
gota 1
Velocidad( V, N, en m/s) 0.0897x10-3
2
0.1196x10-3
3
0.1061 x10-3
4
0.0921 x10-3
Radio (r, en m3 8.5628x1 0-7 9.8870 x10-7 9.3124 x10-7 8.6762 x10-7
Masa (m, en kg) 0.2159x10-14
Carga total (Qtotal, en coulomb) 7.3033x10-19
0.3324 x10-
8.7652 x10-19
14
0.2777 x1014
0.2246 x10-
5.4484 x10-19 5.1965 x10-19
14
Tabla de resultados N°3 : Numero d electrones –carga electrica
Entre el menor valor(5.1965 x10-19 1.4054 1.6868 1.0485 1
Nuero de electrone(ne) 4 5 3 3 Valor Promedio de la carga eléctrica del electrón
Carga eléctrica del electron(e) 1.8258x10-19 1.6930x10-19 1.8161x10-19 1.7322x10-19
1.7667 x10-19
Error porcentual = Valor obtenido – valor aceptado valor aceptado Error porcentual = 1.7667 x10-19 – 1.6022 x10-19 = 10.27 % 1.6022 x10-19
Cálculo de la masa del electrón con el valor obtenido de la relación carga-masa del experimento I
e-/me-= = 1.7548 x1011=1.7667 x10-19 meme- =10.0678x10-31 Error porcentual = 10.0678x10-31 – 9.1094x10-31 = 10.51%
9.1094x10-31
5. Discusión de resultados
Al aumentar el voltaje entre las placas, la gota cargada negativamente cae más despacio, puesto que es atraída por la placa positiva. En un momento determinado se igualan las fuerzas gravitatorias y eléctricas y la gota queda estacionaria. Al conocerse el voltaje y la masa de la gota, se puede determinar la carga de la misma. Teniendo el valor de la carga total, se dividió entre el menor valor, luego se multiplicó los valores obtenidos por el menor entero
posible, buscando que el resultado se aproxime a un entero. Este entero el número de electrones dentro de la gota. Al calcular el valor de la carga del electrón y promediar los valores el error porcentual respecto al valor aceptado y conocido hoy es d 10.27 %. De esta manera, dado que Tomsom llegó a la conclusión que los rayos catódicos son partículas fundamentales y están presentes en cualquier material y además gracias a los resultados de MliKan, la carga eléctrica siempre es un múltiplo de e-. IV. CONCLUSIONES
Se consiguió calcular el valor de la carga eléctrica del electrón. Se logró obtener la magnitud de la masa del electrón por medio de la relación de carga/masa obtenida en el experimento N°1 Se pudo comparar los valores experimentales con los aceptados y conocidos hoy
E. EXPERIMENTO Nº 5: ESPECTROS DE EMISIÓN ATÓMICA I. OBJETIVOS
Observar los espectros de emisión de H2(g) y He(g) Comparar los espectros de emisión de H2(g) y He(g)
II. FUNDAMENTO TEÓRICO El espectro de emisión atómica de un elemento es un conjunto defrecuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por átomos de ese elemento, en estado gaseoso, cuando se le comunica energía. El espectro de emisión de cada elemento es único y puede ser usado para determinar si ese elemento es parte de un compuestodesconocido. Las características del espectro de emisión de algunos elementos son claramente visibles a ojo descubierto cuando estos elementos son calentados. Por ejemplo, cuando un alambre de platino es bañado en una solución de nitrato de estroncio y después es introducido en una llama, los átomos de estroncio emiten color rojo. De manera similar, cuando el Cobre es introducido en una llama, ésta se convierte en luz verde. Estas caracterizaciones determinadas permiten identificar los elementos mediante su espectro de emisión atómica. El hecho de que sólo algunos colores aparezcan en las emisiones atómicas de los elementos significa que sólo determinadas frecuencias de luzson emitidas. Cada una de estas frecuencias están relacionadas con la energía de la fórmula:
Efotón = hν donde E es la energía, h es la constante de Planck y ν es la frecuencia. La frecuencia ν es igual a: ν = c/λ donde c es la velocidad de la luz en el vacío y λ es la longitud de onda. Con esto se concluye que sólo algunos fotones con ciertas energías son emitidos por el átomo. El principio del espectro de emisión atómica explica la variedad de colores en signos de neón, así como los resultados de las pruebas de las llamas químicas mencionadas anteriormente. Las frecuencias de luz que un átomo puede emitir depende de los estados en que los electrones pueden estar. Cuando están excitados, los electrones se mueven hacia una capa de energía superior. Y cuando caen hacia su capa normal emiten la luz.
III. PARTE EXPERIMENTAL 1. Equipos y materiales
2.
Un Tubo de descarga(gas) Un campo eléctrico Un espectrómetro
Diagrama y/o procedimiento experimental
Se tomó una muestra de hidrógeno (gas H 2) y se lo colocó en el tubo de descarga. Se dispuso el campo eléctrico junto con el tubo de descarga y frente a ellos el espectrómetro. Se fijó el voltaje en 300 V. Se encendió el espectro y se observó el espectro de líneas del hidrógeno en el rango de luz visible Se registró los colores de las líneas y las longitudes de onda de cada uno. Se repitió os pasos para una muestra de helio (gas)
3. Observaciones experimentales y/o datos tabulados
Para el espectro de emisión de hidrogeno en el rango de luz visible se observaron cuatro lineas.
Figura N° 1: espectro de emisión del H 2(g)
Para el espectro de emission del helio en l rango de luz visible se observaron
Figura N° 2: espectro de emisión del He (g)
4.
Cálculos, reacciones químicas y/o resultados tabulados
Tabla deresultados N° 4 líneas espectrales: color y longitud de onda dadas para el H2(g) y He(g) gas
H2
He
Color de la linea añil azul turquesa rojo añil azul fuerte celeste fuerte celeste débil verde claro amarillo anaranjado rojo
Longitud de onda de la línea en nm 410.8033 434.9030 487.2576 656.7867 403.3241 448.1994 468.9751 4792.2992 502.2161 586.9806 668.4211
5. Discusión de resultados Los gases emiten luz cuando son excitados y uno de los mecanismos para lograrlo es produciendo una descarga eléctrica en el interior de un gas. La radiación emitida por los gases puede separarse en diferentes longitudes de onda por medio de un prisma. Cada gas puede identificarse a partir de su espectro de líneas, en el experimento el hidrógeno genera menos líneas que el Helio puesto
que este último es diatónico y por ende se dan mayor cantidad de transiciones electrónicas. Cuanto mayor es el número de estas se emiten más fotones de energía con distinta longitudes de onda. IV. CONCLUSIONES
Se logró observar los espectros de emisión de H2(g) y He(g) Se consiguió comparar los espectros de emisión de H2(g) y He(g)
