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Relatório 5 - Experimento de Franck-Hertz

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RELATÓRIO 5 – EXPERIMENTO DE FRANCK-HERTZ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ana Julia Marchi Crocciari 
Diego Henrique Conchal 
Felipe Arantes Africo 
 
 
Prof. Dr. Fernando Alves de Melo 
 
 
 
 
 
 
27/01/2022 
SUMÁRIO 
1. Introdução............................................................................................................................. ................ 3 
2. Objetivos............................................................................................................................. .................. 4 
3. Parte experimental................................................................................................................................. 4 
 3.1. Materiais......................................................................................................................................... 4 
 3.2. Metodologia................................................................................................................................... 5 
4. Resultados e discussões...................................................................................................................... .. 9 
5. Conclusões.......................................................................................................................................... 13 
6. Referências bibliográficas................................................................................................................... 13 
 
 
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1. Introdução: 
O experimento de Franck-Hertz trata-se de uma a experiência desenvolvida em 1914 
por James Franck e Gustav Hertz, a qual elucidou consideravelmente a respeito da maneira 
com que um feixe de elétrons interage com sistemas atômicos, concedendo o Prêmio Nobel de 
1925 aos seus autores. 
Esse experimento demonstrou, de forma direta, que a energia dos átomos apresenta 
níveis discretos (quantizados), verificando a validade do modelo atômico proposto por Bohr. 
Os valores obtidos para essa energia por meio das medições de Franck-Hertz coincidiam com 
os dados obtidos por meio da observação das linhas espectrais. 
Além disso, a quantização de transferência de energia foi efetuada por meio da 
observação da diferença de energia cinética entre os elétrons antes e após colisões. 
Previamente a essas análises experimentais, o caráter quantizado das transferências de energia 
era restrito à emissão ou à absorção de radiação. 
 
Figura 1 – Diagrama esquemático do arranjo experimental utilizado por Franck-Hertz para 
verificar a validade do modelo atômico proposto por Bohr. 
 
(Fonte: referência bibliográfica [9]). 
 
Nesse experimento, há uma válvula de Franck-Hertz. Com o uso de um filamento (H), 
aquece-se certo material, de modo que esse material (C) emite elétrons. Também existe uma 
fonte conectada a uma grade (G), de forma que os elétrons são acelerados nessa direção. 
Após passar por essa grade (G), os elétrons alcançam certo ponto (P). Todavia, nem 
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todos os elétrons são capazes de atingir esse ponto. Afinal, existe um outro potencial (V0), de 
forma que esse ponto (P) está submetido a um potencial negativo. Sendo assim, só elétrons 
com alta energia atingem esse ponto (P). Assim, é possível medir a corrente. 
Para realizar essa experiência, foi necessário escolher um sistema atômico, no qual 
existem elétrons com fortes interações. O sistema atômico do mercúrio foi selecionado por 
apresentar uma alta seção de choque para a colisão de elétrons. Em outras palavras, é muito 
fácil um elétron colidir com um átomo de mercúrio, por isso foi o escolhido. 
Esse sistema permanece em uma temperatura na qual existe vapor de mercúrio. 
Conhecendo os níveis de energia do mercúrio, pode-se verificar as interações entre os elétrons 
e o mercúrio e observar se existe (ou não) alguma dependência em relação a esses níveis de 
energia. 
De maneira simplória, há um forno e, no interior dele, existe uma válvula de mercúrio 
dentro. Então, passará uma corrente que será medida com o uso de um eletrômetro. Dessa 
maneira, é possível estudar o comportamento da corrente desses elétrons dentro de um 
sistema com vapor de mercúrio. 
Uma das fontes (fonte do filamento) será empregada para aquecer o eletrodo, isto é, 
uma das fontes provoca a aceleração de elétrons. Uma vez que essa fonte pode ser controlada 
por um computador, há a possibilidade de gerar uma tensão de aceleração variável. 
Logo, o operador pode escolher o valor dessa fonte, para trabalhar apenas com elétrons 
que apresentem alguma faixa de energia, evitando que os elétrons de baixa velocidade 
passem. 
 
2. Objetivos: 
 Verificar que a energia de excitação eletrônica dos átomos de mercúrio, 
argônio e neônio (Hg, Ar e Ne) é quantizada; 
 Medir a energia de excitação dos átomos de mercúrio, argônio e neônio; 
 Analisar a validade do modelo atômico de Bohr. 
 
3. Parte experimental: 
3.1. Materiais: 
 Válvula com mercúrio; 
 Filamento (fonte para aquecer o eletrodo); 
 Fonte de tensão variável; 
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 Forno com grade, catodo e anodo; 
 Eletrômetro; 
 Multímetro; 
 Termômetro; 
 Tubo de Franck-Hertz com gás mercúrio; 
 Gases: argônio e neônio; 
 Computador com acesso à internet; 
 Caderno de práticas de laboratório (Referência bibliográfica [1]); 
 Aulas em vídeo (Referências bibliográficas [2], [3] e [4]); 
 Simulador (Referência bibligráfica [5]); 
 Calculadora. 
 
3.2. Metodologia: 
Esse experimento apresentou um tubo evacuado contendo mercúrio (ou argônio ou 
neônio). No interior do tubo, elétrons foram liberados no catodo e acelerados pelo potencial 
positivo de um anodo (ou grade aceleradora), situado em uma posição intermediária dentro do 
tubo. 
A grade permite a passagem dos elétrons na direção de uma placa retardadora, que fica 
posicionada à direita dentro do tubo e está ligada a um potencial negativo. Os elétrons que 
passaram pela grade com energia suficiente para atingir a placa geraram uma corrente IS que é 
medida em função do potencial entre o anodo e a grade. 
 No caminho entre o catodo e a grade, os elétrons podem se chocar com átomos do 
vapor de mercúrio. Como esses átomos são muito mais pesados, os elétrons praticamente não 
perdem energia no choque (choque elástico). Desse modo, à medida que a voltagem de 
aceleração (UA) aumenta, também aumenta a corrente (IS). 
No entanto, quando a voltagem atinge um determinado valor, os elétrons terão uma 
energia suficiente para excitar os átomos de mercúrio, isto é, fazê-los passar de um nível de 
energia para outro mais alto. Quando isso acontece, o elétron transfere toda sua energia para o 
átomo de mercúrio e, como consequência, não mais conseguirá atingir a placa retardadora. 
Nesse momento, a corrente IS sofre uma queda. 
Viu-se na animação que, quando o potencial de aceleração dos elétrons chega a 4,9 V, 
a corrente elétrica começa a cair. Na animação, também foi possível perceber que, próximo da 
grade, onde os elétrons possuem uma energia cinética de 4,9 eV, há uma excitação dos 
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átomos de mercúrio seguida de desexcitação com emissão de radiação. 
No experimento original (com mercúrio), não é possível ver essa radiação por ela não 
estar no espectro visível. Com o aumento do potencial de aceleração dos elétrons, a nuvem de 
excitação e desexcitação dos átomos de mercúrio se afasta da grade, uma vez que os elétrons 
atingem a energia de 4,9 eV cada vez mais distante da grade. 
Se a diferença de potencial entre o catodo e o anodo continuar aumentando, a corrente 
na placa recomeça a aumentar até que a energia do elétron seja duas vezes a energia de 
excitação do mercúrio, causando assim a excitação em sequência de dois átomos de mercúrio. 
Sendo assim, toda vez que a energia do elétron for um múltiplo inteiro da energia de 
excitação do mercúrio, haverá uma nova queda na corrente. Portanto, a diferença entre dois 
mínimos (ou máximos) consecutivos no gráfico