La cuantización de la energía

En la figura, se muestra un esquema del tubo que contiene vapor de mercurio a baja presión con el que se realiza el experimento. El cátodo caliente emite electrones con una energía cinética casi nula. Ganan energía cinética debido a la diferencia de potencial existente entre el cátodo y la rejilla.

Durante el viaje chocan con los átomos de vapor de mercurio y pueden perder energía. Los electrones que lleguen a la rejilla con una energía cinética de 1.5 eV o más, impactarán en el ánodo y darán lugar a una corriente Ic. Los electrones que lleguen a la rejilla con una energía menor que 1.5 eV no podrán alcanzar el ánodo y regresarán a la rejilla. Estos electrones no contribuirán a  la corriente Ic.

La corriente Ic presenta varios picos espaciados aproximadamente 4.9 eV.

Cuando un electrón experimenta una colisión inelástica con un átomo de mercurio lo deja en un estado excitado, volviendo al estado normal después de emitir un fotón de 2536 A de longitud de onda, que corresponde a una energía E=hf=hc/λ de aproximadamente 4.9 eV. Esta radiación se puede observar durante el paso del haz de electrones a través del vapor de mercurio. En la simulación aproximaremos el valor de esta energía a 5 eV.

La energía del fotón hf=E2-E1 es igual a la diferencia entre dos niveles de energía E2 y E1 del átomo de mercurio. Esta energía es la que pierde el electrón en su choque inelástico con el átomo de mercurio.

En la simulación, empleamos un número limitado de átomos de Hg y de electrones, en el experimento real el número de átomos y electrones es muy grande, esto hace que para las diferencias de potencial (ddp) para las cuales la corriente presenta un mínimo se produzcan ciertas variaciones en el valor medido de la corriente para la misma ddp.

Actividades

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Los electrones (partículas que se mueven de color negro) experimentan choques con un átomos de mercurio (partículas inmóviles de color azul). Si un electrón tiene una energía inferior a 5 eV el choque es elástico y no se produce cambio en la energía del electrón. Si su energía es superior a 5 eV el electrón pierde esta cantidad de energía, quedándose con el resto, y excitando el átomo de mercurio que cambia de color azul a rojo.

El programa calcula la velocidad media de los electrones que llegan al ánodo, y la toma como una medida de la intensidad Ic de la corriente.

Datos tomados de la experiencia simulada: en el eje X la diferencia de potencial entre el cátodo y la rejilla, en el eje Y la medida del amperímetro (rectángulo de color amarillo) en unidades arbitrarias.

ddp 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Ic 0 42 73 94 111 0 43 73 94 111 38 44 73 95 112 38 44 74 95 118
x=1:20;
y=[0,42,73,94,111,0,43,73,94,111,38,44,73,95,112,38,44,74,95,118];
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