Licenciatura em Física
Estrutura da matéria (ESMZ5)
Professor Osvaldo Canato Júnior
EXPLORANDO O EXPERIMENTO DE FRANCK-HERTZ
Roteiro para utilizar a simulação computacional sobre o experimento de Franck-Hertz disponibilizada por The
Visual Quantum Mechanics Project1
I - Introdução e reconhecimento do equipamento
O experimento de Frank-Hertz ganhou grande prestígio por apontar evidências do comportamento quântico da
estrutura eletrônica atômica, tal qual proposto no modelo atômico de Niels Bohr.
Basicamente, o aparato consiste de uma válvula triodo (catodo, grade e anodo) que gera um feixe de elétrons dentro
de um tubo contendo um gás rarefeito. Um filamento aquecido por efeito joule alimentado por uma tensão VF (com
variação de 0 a 10 V neste simulador) faz o papel de catodo, emitindo elétrons que são acelerados pela tensão VG
(também com variação de 0 a 10 V) e freados pela “tensão de retardo” entre a grade e o anodo (fixa no valor de 1,5
V).
Um amperímetro mede a corrente elétrica entre a grade e o anodo, IA, cuja relação com VG é analisada através do
traçado de um gráfico de IA x VG. O simulador permite analisar os resultados obtidos com uso de dois materiais,
mercúrio e neônio, vaporizados pelo aquecimento de um forno (não visualizado no simulador) no qual o triodo está
inserido. Em um experimento real pode-se controlar tanto a temperatura do forno como a voltagem de retardo.
Note que a visualização dos elétrons é apenas uma ilustração do aplicativo, não ocorrendo no experimento real.
II - Influência de VF e VG no comportamento dos elétrons (Valor 3,0)
Estabelecendo o neônio como o gás presente no tubo e sem a preocupação de analisar o gráfico de IA em função de
VG, observe cuidadosamente o movimento dos elétrons (i) no filamento, (ii) no intervalo entre o filamento e a grade
e (iii) no intervalo entre a grade e o anodo para os seguintes casos:
·
·
variando VF, com VG nulo
variando VG de 0 a 2,5 V e VF de 0 a 10 V
Com base em suas observações responda aos itens abaixo:
a) Qual a função da polaridade VF aplicada entre os terminais do filamento no controle do movimento dos elétrons?
b) Qual a função da polaridade de VG entre o filamento e a grade no controle do movimento dos elétrons?
c) Qual a função da voltagem invertida, de valor fixo em 1,5 V, entre a grade e o anodo no controle do movimento
dos elétrons?
III – Identificando o fenômeno (Valor 4,0)
Continuando com o preenchimento do tubo com o neônio, estabeleça VF = 5,0 V e VG = 0,0 V como condição
inicial e acione a tecla clear para limpar a área do gráfico IA x VG. Em seguida, varie lentamente VG até que a
aquisição de dados esteja completa e o gráfico exibido em todo intervalo de variação de VG.
a) Como varia o valor de IA conforme se altera o valor de VG?
b) Qual a relação da emissão de luz pontual no gás com as quedas de corrente no gráfico IA x VG?
c) O que é modificado e o que permanece inalterado ao se repetir o procedimento para outros valores de VF?
d) O que é modificado e o que permanece inalterado ao se repetir o procedimento com uso do mercúrio?
IV – Interpretando o fenômeno (Valor 3,0)
A partir de seu aprendizado obtido ao longo do curso e de pesquisas realizadas em textos e hipertextos, apresente
uma interpretação quântica para as observações descritas na Parte III.
1
Roteiro reelaborado a partir da formulação original de autoria do Prof. Gildo, IFSP-SP.
Link para acesso à simulação: http://phys.educ.ksu.edu/vqm/free/FranckHertz.html.