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Experimentos de Física Moderna Data: 5 de janeiro de 2022 II. Dados de Identificação: Instituição: Universidade Federal do Maranhão Professor: Carlos Alberto Carneiro Aluno: Raylson de Jesus Gois Aguiar Disciplina: Experimentos de Física Moderna Ano: 2022 RESUMO Neste relatório será apresentado três experimentos que englobam vários estudos para a comprovação do elétron. A partir das conclusões dessas pesquisas há a confirmação inequívoca de que o átomo possui uma subestrutura, questionado assim a natureza indivisível do átomo. Os experimentos são: Tubo de Crookes, experimento de Thomson da razão carga- massa e os experimentos de Millikan para a carga do elétron. 1 Tubo de Crookes Um tubo de Crookes é um experimento elétrico num tubo de descarga, parcialmente no vácuo, inventado pelo físico inglês William Crookes e outros por volta de 1869-1875 através do qual os raios catódicos foram descobertos. Raios catódicos são radiações compostas de elétrons que se originam no interior de tubos cheios de gás rarefeito e submetidos a uma diferença de potencial elétrico em suas extremidades metálicas, ou polos. Os elétrons emergem do polo positivo do eletrodo, chamado catodo, e se propagam em forma de um feixe de partículas negativas. Em uma ampola, William Crookes submeteu um gás a uma pressão menor que a pressão atmosférica e a uma alta tensão. Quando os elétrons saem do cátodo, colidem com moléculas do gás e ocorre a ionização do gás e liberação de luz que ilumina toda a ampola. A partir desses experimento, J. J. Thomson observou que esse fenômeno é independente do gás e do metal utilizado no elétrodo. A partir dessa conclusão, Thomson pôde, posteriormente, descobrir a existência do elétron. A "ampola de Crookes" é feita de vidro ou quartzo e dentro dela se faz o vácuo. Ela contém duas placas metálicas ligadas a uma fonte de tensão elétrica. A placa ligada ao pólo negativo é chamada de catodo e a outra, ligada ao pólo positivo, é o anodo. Quando a tensão entre o catodo e o anodo fica bem elevada surge um feixe luminoso que sai do catodo e atravessa o tubo. São os "raios catódicos". Esses experimentos fizeram Thomson concluir que os raios eram na verdade um feixe de partículas carregadas negativamente e que possuíam massa. 2 Experimento de Thomson – Razão carga-massa Enquanto a razão massa-carga m/q de alguns íons já era conhecida por intermédio de métodos eletroquímicos, a razão m/q do elétron foi obtida apenas em 1897. O autor deste feito foi Joseph John Thomson que, além de determiná-la experimentalmente, demonstrou que o elétron: era uma partícula (com massa e carga muito bem definidas), e era cerca de 2000 menor que o íon de hidrogênio H+, ou seja, Thomson conseguiu demostrar experimentalmente a primeira partícula elementar. Em seu experimento, Thomson determinou a razão m/q de um feixe de raios catódicos a partir da comparação da deflexão deste quando sujeito à ação de campos externos (magnético ou elétrico). O aparato assim concebido também permitiu-lhe determinar a razão m/q de vários íons e seu princípio de funcionamento deu origem àquilo que hoje chamamos de espectrômetro de massa. Em função dos seus trabalhos, a Thomson é creditada a descoberta do elétron e dos isótopos, bem como a invenção do espectrômetro de massa. Thomson foi agraciado com vários prêmios importantes, dentre eles o Prêmio Nobel de Física de 1906, “em reconhecimento de suas investigações teóricas e experimentais sobre a condução de eletricidade em gases”. A razão m/q é uma quantidade física amplamente utilizada em eletrodinâmica de partículas carregadas − tal como aquela envolvendo a óptica de elétrons e íons. Tamanha é a importância desta quantidade que, em 1991, ficou estabelecido que a unidade da razão m/q seria nomeada de thomson (Th), em reconhecimento àquele que primeiro a determinou. Em alguns casos, no entanto, o inverso da razão m/q é adotado e o seu valor aceito atualmente é q/m = 1.759x1011 C/kg. Pares de bobinas de Helmholtz 2.2 Teoria Determinação da Carga especifica e/m Um feixe de elétrons é produzido por um filamento aquecido e é acelerado por uma diferença de potencial entre um cátodo e um ânodo. Este feixe (filiforme e colimado) emerge de um furo circular existente no centro do ânodo. O conjunto todo (filamento+cátodo/ânodo+colimador) encontra-se no interior de uma ampola contendo gás sob baixa pressão. Ao saírem do ânodo, os elétrons energéticos colidem com os átomos do gás induzindo nestes um processo chamado de fluorescência. Como resultado, temos um “rastro” visível da trajetória descrita pelo feixe de elétrons. Dependendo da orientação do tubo de raios catódicos frente ao campo magnético gerado pelas bobinas de Helmholtz, a trajetória pode ser circular ou helicoidal. Além disto, o raio da trajetória assim descrita depende da diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo, bem como da intensidade do campo magnético. Se o tubo de raios catódicos filiformes for colocado no campo magnético das bombinhas de Helmholtz de modo que o raio filiforme sai do sistema gerador de raios, perpendicular a direção do campo, a força F atuando sobre os elétrons terá então o valor: 𝐹 = 𝑒𝑣𝐵 Sob a ação dessa força o feixe concentrado de elétrons forma um arco circular e se o campo magnético for suficiente forte, ele formará um círculo fechado de raio r. a força F agindo sobre os elétrons deve então ser idêntica à força centrifuga: 𝑚𝑣2 2 𝑒𝑣𝐵 = 𝑚𝑣2 2 (1) Transformando está equação, o valor a velocidade v dos elétrons é dada pela formula: 𝑣 = 𝑒 𝑚 𝐵𝑟 (2) Partindo do princípio da conservação da conservação da energia: 1 2 𝑚𝑣2 = 𝑒𝑈 Vemos imediatamente que a velocidade de elétrons depende da diferença de potencial U. 𝑣 = √ 𝑒 𝑚 √2𝑈 (3) Substituindo a equação (3) em (2) temos a seguinte expressão para a carga especifica do elétron. 𝑒 𝑚 = 2𝑈 𝑟2𝐵2 (4) Uma vez que todas as quantidades no lado direito da equação (4) pode ser determinado por medição, é possível calcular a carga especifica do elétron. 2.3 Procedimento experimental Determinaremos a razão carga massa e/m nesse caso, medindo o raio da trajetória definida pelos elétrons em função dos parâmetros da equação (4). Dados: U = 300v, número de espiras = 154 espiraras, separação da bobina de Helmholtz é R = 0,2m e x = R/2. A densidade do fluxo magnético B dentro de um sistema de bobina pode ser calculada a partir do raio R, o número de voltas n de uma bobina e a intensidade da corrente I nas bobinas. 𝐵 = 0,715𝜇0 𝑛. 𝐼 𝑅 A que suponha-se que a intensidade de corrente I e idêntica em ambas as bobinas. Foram usadas duas bobinas de Helmholtz. Dados experimentais: raios internos raio(m) corrente(A) 0,02 4,09 0,03 2,71 0,04 1,96 0,05 1,52 raios externos raio(m) corrente(A) 0,03 3,34 0,04 2,51 0,05 1,96 2.4 Resultados Temos a seguir duas tabelas com os resultados de razão carga-massa e o valor do campa B a partir das informações das tabelas dos raios internos e internos. raios internos B(10^-3) e/m(C/kg) 0,002829 1,562E+11 0,001874 1,5813E+11 0,001356 1,7004E+11 0,001051 1,8095E+11 Com os dados das tabelas podemos fazer a regressão linear. corrente(i) raio(r´) raio(r^-2) i^2 4,09 0,02 2500 16,7281 2,71 0,03 1111,1111 7,3441 1,96 0,04 625 3,8416 1,52 0,05 400 2,3104 3,34 0,03 1111,1111 11,1556 2,51 0,04 625 6,3001 1,96 0,05 400 3,8416 Para fazer a regressão, buscaremos uma equação que tenha a corrente em termos do raio. 𝐵 = ( 4 5 ) 3 2 . 𝜇0. 𝑛 𝑟 . 𝐼𝑎 = ( 4 5 ) 3 2 . 𝜇0. 𝑛 𝑟 𝑒 𝑚 = 2𝑈 𝐵2𝑟2 = 2𝑈 𝑎2𝑟2𝐼2 (5) 𝐼2 = 2𝑈 𝑎2 . 𝑚 𝑒 . 1 𝑟2 (6) Onde a nossa constante c é: 2𝑈 𝑎2 . 𝑚 𝑒 raios externos B(10^-3) e/m(C/kg) 0,002310 1,041E+11 0,001736 1,037E+11 0,001356 1,088E+11 Com a nossa regressão temos o valor da constante dado pelo coeficiente angular da reta: 𝐼2 = 𝐶. 1 𝑟2 Onde c = 0,0065. 𝐶 = 𝐼2. 𝑟2 Vamos substituir o valor de C em (5). 𝑒 𝑚 = 2𝑈 𝑎2𝐼2𝑟2 𝑒 𝑚 = (2 × 300) (4,757 × 10−7)(6,5 × 103) 𝑒 𝑚 = 1,617 × 1011𝑐/𝑘𝑔 Para comparação com o valor de referência da razão carga massa: e/m = 1,759.10^11 Temos um erro de 8%. 3 Experimento de Millikan – Carga do elétron Resumo: Neste experimento vamos determinar a carga do elétron presente em gotas de óleo. Método que o cientista Robert Andrews Millikan utilizou para obtenção da carga elementar, y = 0,0065x + 1,0467 R² = 0,9065 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 I x r^-2 partindo da observação e medida das forças atuantes em gotas de óleo carregadas sob o efeito de um campo elétrico, e a prova de sua quantização. 3.1 Introdução Em 1897, J. J. Thonsom (1856-1940) sugeriu a existência de uma partícula fundamental na composição dos átomos. Ao realizar seus experimentos, ele calculou que essa partícula correspondia a um milionésimo da massa do átomo de hidrogênio, considerado anteriormente como a partícula fundamental de todos os átomos. A essa partícula foi atribuído o nome de elétron. Em 1909, Robert Andrews Millikan (1868-1953) reporta um experimento fundamental para a determinação da carga do elétron, que rendeu a ele o prêmio Nobel de Física em 1923. Em seu experimento, Millikan observou pequenas gotas de óleo, que ao sofrerem um processo de ionização, podem conter uma carga total não nula. A partir da descrição mecânica dos movimentos das gotas, Millikan conseguiu obter o valor da carga do elétron, e. Além disso, os resultados de seu experimento indicaram que a carga elétrica total de um corpo corresponde a um múltiplo inteiro da carga fundamental. 3.2 Teoria e desenvolvimento Gotículas de óleo carregadas, submetidas à ação da gravidade e de um campo elétrico entre as placas de um capacitor, são aceleradas pela aplicação de uma tensão. A carga elementar é determinada a partir das medidas de velocidades de descida e subida das gotículas. Figura: Montagem experimental Ajustamos a tensão para um valor de 350V e borrifamos gotículas de óleo entre as placas do capacitor com o auxílio de um soprador. Observamos o movimento de subida e descida através de uma televisão conectada a uma câmera. Com a chave comutadora fizemos a gotícula se mover entre as graduações mais baixa e mais alta do micrometro ocular determinado assim o seu tempo de subida e descida e calculando a sua velocidade com a ajuda do software TRACKER. Foram observados o movimento de subida e de descida de uma gotícula de óleo carregada no campo elétrico de um capacitor e as suas respectivas velocidades determinadas. Velocidade de descida: 𝑣1 Velocidade de descida: 𝑣2 Tensão no capacitor: U Carga na gotícula: 𝑄 = 𝑛. 𝑒 Raio da gotícula: r Separação das placas do capacitor: 𝑑 = 2,50 𝑚𝑚 Densidade do óleo: 𝜌1 = 1,03 × 10 3𝑘𝑔/𝑚3 Viscosidade do ar: 𝜂 = 1,82 × 10−5𝑘𝑔(𝑚. 𝑠)−1 Aceleração da Gravidade: 𝑔 = 9,81𝑚. 𝑠−2 Densidade do ar: 𝜌2 = 1,293 𝑘𝑔/𝑚 3 A força F, experimentada por uma esfera de raio r e velocidade v, em um meio fluido de viscosidade 𝜂, é dada por: 𝐹𝑠 = 6. 𝜋. 𝑟. 𝜂. 𝑣 (Lei de Stoke) (1) A gota esférica de massa m, volume V e densidade 𝜌1 está também submetida a um campo gravitacional terrestre, 𝐹𝑔 = 𝑚. 𝑔 = 𝜌1. 𝑉. 𝑔 (2) A força de empuxo é dada por: 𝐹𝐸 = 𝜌2. 𝑉. 𝑔 (3) E a força devida ao campo elétrico do capacitor: 𝐹𝑄 = 𝑄. 𝐸 = 𝑄. 𝑈 𝑑 (4) As velocidades de subida e descida são obtidas em regime de equilíbrio, ou seja, quando a resultante das forças que atuam sobre a partícula carregada for nula. 𝑣1 = 1 6.𝜋.𝑟.𝜂 [𝑄. 𝐸 + 4 3 . 𝜋. 𝑟3. 𝑔. (𝜌1 − 𝜌2)] (5) 𝑣2 = 1 6.𝜋.𝑟.𝜂 [𝑄. 𝐸 − 4 3 . 𝜋. 𝑟3. 𝑔. (𝜌1 − 𝜌2)] (6) Subtraindo e somando as equações (5) e (6) obtemos a carga Q e o raio r das gotículas: 𝑄 = 𝐶1. 𝑣1+𝑣2 𝑈 . √𝑣1 − 𝑣2 (7) Onde 𝐶1 = 9 2 . 𝜋. 𝑑. √ 𝜂3 𝑔(𝜌1−𝜌2) 𝐶1 = 2,73 × 10 −11𝑘𝑔. 𝑚. (𝑚. 𝑠)−1 𝑟 = 𝐶2. √𝑣1 − 𝑣2 Onde 𝐶2 = 3 2 √ 𝜂 𝑔(𝜌1−𝜌2) 𝐶2 = 6,37 × 10 −5(𝑚. 𝑠) 1 2 Vamos usar apenas a constante 𝐶1 para determinar a carga do elétron. As medidas dos tempos de subida e descida e suas respectivas velocidades para 5 gotículas diferentes estão organizadas na seguinte tabela: gota t(subida) t(descida) v(subida) v(descida) Q (carga) 1 2,345 1,68 0,0001237 0,000173 1,61693E-19 2 1,264 1,282 0,0002294 0,0002262 #NÚM! 3 1,25 0,98 0,000232 0,000296 3,29211E-19 4 3,59 1,93 8,078E-05 0,00015 1,50213E-19 5 6,812 1,506 4,257E-05 0,000193 2,24618E-19 A carga obtida foi de: 𝑞 = 1,616 ∗ 10−19 𝐶 Com um erro 1% comparado com o valor verdadeiro da carga do elétron que é de 𝑒 = 1,602 × 10−19 𝐶. 4. Referência http://en.wikipedia.org/wiki/J._J._Thomson Paul Tipler, Física Moderna (Guanabara Dois, 1981) – 539^T595 M. R. Wehr e J. A. Richard Jr., Física do Átomo (ao Livro Técnico, 1965) T. B. Brown, The Lloyd William Taylor Manual of Advanced Undergraduate Experiments in Physics (Addison-Wesley, 1959) http://en.wikipedia.org/wiki/J._J._Thomson Data: 5 de janeiro de 2022 II. Dados de Identificação: Instituição: Universidade Federal do Maranhão Professor: Carlos Alberto Carneiro Aluno: Raylson de Jesus Gois Aguiar Disciplina: Experimentos de Física Moderna Ano: 2022 4 Efeito fotoelétrico – determinação da constante de Plank Resumo: Neste experimento vamos determinar a constante de Planck através efeito fotoelétrico. O experimento consiste em usar uma fotocélula de potássio que é iluminada com luz de diferentes comprimento de onda, o quantum de ação de Planck (h), é determinado a partir das tensões fotoelétricas medidas. 4.1 Introdução Com a incidência da luz sob uma superfície metálica, alguns elétrons que estão próximos à superfície absorvem energia suficiente para romper com a força que os prendem na superfície e escapam para o espaço das imediações, esse fenômeno é conhecido como efeito Fotoelétrico. Para explicar tal fenômeno era necessário uma nova teoria que fosse além da teoria clássica existente até meados do século XIX e XX. Em 1863, James Clark Maxwell (1831-1879) em suas equações que levam seu nome, as relações entre os campos elétricos e magnéticos, demonstrou que os campos elétricos e magnéticos se propagavam com a velocidade da luz, estabelecendo com isso formalmente o conceito de ondas eletromagnéticas. Em suas experiências realizadas para confirmar a existência de ondas eletromagnéticas propostas por ele, foi quem primeiro percebeu o efeito quando se incide luz sob um material metálico, elétrons são ejetados da superfície. Por volta de 1887, Heinrich Hertz em uma de suas experiências, provou a veracidade da teoria de Maxwell produzindo e detectando ondas eletromagnéticas (NUSSENZVEIG, H. Moysés, 1998). Em suas experiências Hertz observou a emissão de cargas elétricas negativas de uma superfície metálica ao ser exposta em contato com a luz,ou seja, observou o Efeito Fotoelétrico de fato (PAUL A. T. e RALPH. A. L; 2010). Depois do posicionamento do físico Hertz, outros cientistas investigaram a fundo o efeito fotoelétrico com mais detalhe e precisão, um deles foi Philipp Lenard, no ano de 1900 com o auxílio de equipamentos experimentais, percebeu em sua análise que partículas negativas que eram emitidas, quando eram submetidas a um campo magnético apresentavam uma razão carga-massa, de modo que as partículas emitidas eram elétrons (PAUL A. T. e RALPH. A. L; 2010). Os resultados obtidos experimentalmente contradiziam a teoria clássica do eletromagnetismo e tornaram-se um grande desafio para os físicos da época por cerca de 18 anos. No ano de 1905, Einstein fez uso de uma proposta apresentada por Planck, explicando, de forma satisfatória, o funcionamento do efeito fotoelétrico. A proposta utilizada por Einstein chama-se quantização do campo eletromagnético. No ano de 1900, Planck tentava, de todas as formas, explicar a emissão de corpo negro, e só conseguiu fazê-lo ao sugerir que a luz fosse quantizada, isto é, que apresentasse valores de energia múltiplos de uma quantidade menor. Apesar de Planck ter entendido que o seu feito era somente um artifício matemático capaz de explicar um fenômeno físico, Einstein acreditou que a luz realmente fosse formada por um grande número de partículas dotadas de energia. Futuramente, tais partículas viriam a ser chamadas de fótons. 4.2 Teoria e Desenvolvimento Não resultou nenhuma das tentativas, feitas no sentido de explicar o efeito fotoelétrico com base nas leis de Maxwell ( segundo as quais a luz é uma onda eletromagnética distribuída continuamente no espaço). Era impossível compreender porque é que a energia dos elétrons fotoelétricos é determinada apenas pela frequência da luz, nem perceber a causa pela qual só quando o comprimento de onda é pequeno a luz se torna capaz de arrancar elétrons. O esclarecimento do efeito fotoelétrico foi dado em 1905 por Alberto Einstein que desenvolveu a idéia de Planck sobre a emissão intermitente de luz. Nas leis experimentais do efeito fotoelétrico, Einstein viu uma prova evidente de que a luz tem uma estrutura intermitente e é absorvida em porções independentes. A energia E de cada uma das porções de emissão, de acordo com a hipótese de Planck, é proporcional à frequência. Ele formulou que a luz era formada por pacotes, conhecidos como fótons e definiu que a luz transmitiria energia de maneira discretizada, dada por: 𝐸 = ℎ𝑓 (1) Onde ℎ = 6,626 × 10−34 𝐽/𝑠 é a constante de Planck, obtida pelas medidas de millikan, f é a frequência da radiação e E é a energia emitida do fóton. Ao atingir uma superfície ele transfere toda sua energia ou nada para um só elétron. Einstein usou a conservação da energia para mostrar que a energia cinética máxima de um elétron emitido é dada pela diferença entre a função trabalho e a energia que o elétron ganhou do fóton: 1 2 𝑚𝑣2 = ℎ𝑓 − ∅ Se um fóton de frequência f atingir o cátodo, um elétron pode ser ejetado do metal se houver energia suficiente. Alguns dos elétrons assim ejetados alcançam o ânodo de modo que uma tensão é estabelecida entre o ânodo e o catodo que atinge o valor U após um curto tempo. Os elétrons só podem ir contra o campo elétrico estabelecido pela voltagem U se eles estiverem energia cinética máxima, determinada pela frequência da luz. ℎ𝑓 − 𝐴 = 𝑚 2 𝑣2 (equação de Einstein) (2) Onde A = função trabalho da superfície do Catodo, v = velocidade do elétron, m = massa de repouso do elétron. Os elétrons, portanto, só chegarão no ânodo enquanto sua energia no campo elétrico for igual à energia cinética: 𝑒𝑈 = 𝑚 2 𝑣2 (3) Com a carga do elétron sendo de 𝑒 = 1,602 × 10−19C Um potencial de contato adicional ocorre porque as superfícies do ânodo e do catodo são diferentes: 𝑒𝑈 + ∅ = 𝑚 2 𝑣2 (4) Se assumimos que A e ∅ são independentes da frequência, então, existe uma relação linear entre a tensão U e a frequência de luz f. 𝑈 = −𝐴+∅ 𝑒 + ℎ 𝑒 𝑓 (5) Logo 𝑈 = 𝑎 + 𝑏𝑓 (6) 4.3 Arranjo experimental A configuração experimental é mostrada na fig.1. os filtros de interferência são encaixados um após o outro na entrada de luz da fotocélula. Figura 1: configuração experimental para determinar o quantum de ação de Planck Figura 2: filtros de interferência Nesses filtros, as ondas de luz quando se superpõe em fase criam interferência construtiva, e quando se superpõe defasadas de 180° entre si criam interferência destrutiva. Constituído por várias camadas dielétrico com espessura de mesma ordem do λ desejado, deixando passar apenas 1 λ e seus múltiplos, isolando bandas com até 10 nm de largura. 4.5 Dados e Resultados Na seguinte tabela temos os dados obtidos: λ(nm) U(V) f(Hz)10^(12) 578 0,128 519 546 0,303 549 436 0,791 688 366 0,1259 819 A frequência foi obtida através da expressão: 𝑓 = 𝑐 𝜆 Fazendo a regressão linear dos dados: Para esse caso, temos uma função do tipo y = ax+b, em comparação com a equação (6) temos y = U, 𝑎 = ℎ 𝑒 , 𝑥 = 𝑓. Logo: 𝑎 = 4 × 10−15 ℎ = 𝑎. 𝑒 Sendo e = 1,602 × 10−19 ℎ = (4 × 10−15) × (1,602 × 10−19) ℎ = 6,408 × 10−34𝐽/𝑠 Conforme proposto neste relatório, realizamos a medição do valor da constante de Planck, sendo de h = 6,408 × 10−34J/s com um erro relativo de 3% comparado ao valor observado na literatura existente que é h = 6,626 × 10−34𝐽/𝑠, revelando que a metodologia adotada foi satisfatória para a medição desses dados. Referências PAUL A. Tipler, RALPH. A. Llewellyn. Física Moderna.Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de janeiro: LTC, 2010. YOUNG, H. D. Física IV: Ótica e Física Moderna. Tradução de Cláudia Martins. São Paulo: Addison Wesley, 2009. y = 4E-15x - 1,7517 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0,0000E+00 5,0000E+14 1,0000E+15 U(v) x f(Hz) NUSSENZVEIG, H. Moysés. Curso de Física Básica: Ótica, Relatividade e Física Quântica. 1. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1998.
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