Determinación de e/m - Departamento de Física

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Departamento de Física
Fac. Ciencias Exactas - UNLP
Joseph John Thomson
Rayos catódicos
Física Experimental IV
Curso 2014
Clase 2
Página 1
Prehistoria de los rayos catódicos.
Cuando el origen de la electricidad aún no era bien
conocido, ya se usaban tubos de vidrio con un ánodo
y un cátodo y se observaban descargas eléctricas en
ellos.
No hay imagenes de esos primeros pasos.
Obs. 1897
P. N. 1906
Cambridge, Inglaterra
b. 1856
d. 1940
"in recognition of the great merits
of his theoretical and experimental
investigations on the conduction of
electricity by gases"
Michael Faraday (1791-1867) observó que una
fluorescencia podía observarse entre los electrodos
cuando la presión del gas se reducía.
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Rayos catódicos
Joseph John Thomson
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Rayos catódicos 1855 - 1896.
1855
Geissler era un vidriero de la Universidad de
Bonn (Alemania).
1904
... Supuso que el átomo
consistía de corpúsculos
negativos moviendose en
una esfera de electricidad
positiva...
J. Pluecker, le encarga evacuar tubos para
estudiar las descargas eléctricas en gases.
Heinrich Geissler desarrolla la bomba de vacio
de mercurio. Esto permitió hacer buenos tubos
de vacio.
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Bombas de vacío y tubos de Geissler .
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Julius Plücker.
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Matemático y físico.
Universidad de Bonn
1801 -1868
1858
Plücker observa la influencia de un
campo magnético sobre la fluorescencia
en las paredes del tubo.
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Johann Wilhelm Hittorf (1824-1914)
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Profesor de física y química en la Universidad de
Münster , contribuyó poderosamente al desarrollo
del electroquímica con innumerables inventos.
Descubrió los rayos catódicos con su maestro
Plücker con el que estudió también las variaciones
del espectro al variar la atmósfera. El tubo de
Hittford por él inventado aparece como precursor
del tubo de Crookes.
1869
1824-1914
J.W. Hittorf observa que un sólido
puesto en el camino de los rayos
produce una sombra en la fluorescencia
del extremo del tubo.
Los rayos se propagan en línea recta.
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Sir William Crookes
1832-1919
1875
Crookes mejora mucho el vacío en los tubos.
Reproduce los experimentos the Plücker y Hittford.
Introduce obstaculos y molinos en el paso de los rayos.
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Eugen Goldstein
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Universidad de Berlin.
1850-1930
1876 - Introduce el nombre de rayos catódicos para los rayos que
salen del cátodo.
1886 - Goldstein perfora el cátodo de un tubo de rayos catódicos y
descubre los "rayos canales".
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Phillip Lenard
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PN 1905
"for his work on cathode rays"
1862-1947
1892, Phillip Lenard junto con Heinrich Hertz descubren que bajo
ciertas condiciones los rayos catódicos pueden penetrar metal.
Lenard logra que los rayos catódicos atraviesen una delgada
lámina de metal liviano y salgan del tubo de Crookes. Lenard
probó que los rayos catódicos no eran un fenómeno exclusivo del
vacío.
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Determinación de la carga específica
del electrón.
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La fosforescencia verde es causada por los
rayos catódicos en su interacción con el
vidrio.
Hubo una gran cortroversia sobre la
naturaleza de estos rayos.
Dos opiniones prevalecieron:
1904
... suppose that the atom
consists of a number of
corpuscles moving about in a
sphere of uniform positive
electrification...
Una, sostenida por los físicos ingleses era
que los rayos eran cuerpos negativamente
cargados disparados por el cátodo con
gran velocidad.
La otra visión, sostenida por la mayoría de
los físicos alemanes, era que los rayos eran
algún tipo de vibración etérea u onda.
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Determinación de e/m
Placas condensador (L)
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Pantalla
fluorescente
Sobre una partícula con carga q que se mueve con
velocidad v en en un campo eléctrico y magnético aparece

  
una fuerza F:
F  q(E  v  B)
Si no hay campo magnético aplicado:
z
Fz  eEz
y
x
e
e
L
vz   Ez t   Ez
m
m vx
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Determinación de e/m
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Si no hay campo magnético aplicado:
z
y
x
Fz  eEz
e
e
L
vz   Ez t   Ez
m
m vx
vz
tg 
vx
e
L
tg   E z 2
m
vx
Para medir vx, aplicaba un campo magnético de manera
que la F neta sobre la carga sea nula:
Ez
eEz  evx By  vx 
By
e
Ez

tg ( )
2
m
LBy
Con este método, Thomson obtuvo e/m= 1.77x1011 C/kg (el
valor actualmente aceptado para e/m= 1.7588196 x1011 C/kg).
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Determinación de e/m
L
D
z1

z2
1 eE z
z1 
2 m
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L

 vx



2
z2
tg 
D
Ez
vx 
By
1 eE z
z1  z 2 
2 m
L

 vx
2

e
L
e
L L
  D E z 2  E z 2   D 
m
m
vx
vx  2


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Método de Lenard
Lenard en 1898 usó un método ligeramente diferente
para medir la relación e/m de partículas negativas
liberadas por una placa de metal iluminada con luz.
1 2
2eV
2
mv  eV  v 
2
m
v2
m  evB
R
e
2V
 2 2
m R B
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Determinación de e/m
Como determinar R?
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d1  Rsen
d2  R(1  cos )
d1  d 2  2R (1  cos )  2Rd2
2
2
d1  d 2
R
2d 2
2
2
2
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Rayos X
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Determinación de e/m
Como vamos a determinar e/m ?
El método que vamos a usar se diseño basándose en el
experimento de Bainbridge (Phys. Rev. 42, 1 (1932)).
Dispositivo experimental
Tubo de vidrio
lleno con helio a
una presión de
10-2 mm Hg
Cátodo
emisor
de e-
150-300 V Anodo
~ 6.3 V
(1/2) m v2 = eV
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Determinación de e/m
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(1/2) m v2 = eV
Si se hace circular una corriente por las bobinas, los electrones sufrirán una
fuerza perpendicular a la dirección de movimiento con magnitud: F = e v B
Puesto que la F es siempre perpendicular a la dirección de movimiento, el
camino seguido por los electrones será circular con un radio R, tal que:
F = mv2 / R
Combinando estas tres ecuaciones se obtiene:
e/m = 2V / B2R2
El campo magnético producido cerca del eje del par de bobinas es:
B = N0i / (5/4)3/2a
N: numero de espiras (130), a = radio de las bobinas (15 cm)
V: potencial acelerador, 0 = 4 x 107, i=corriente.
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Determinación de e/m
El aparato ha sido posicionado tal que
las bobinas son coaxiales con el campo
magnético terrestre . En Middlebury, el
campo magnético terrestre hace un
ángulo de 40o con la vertical.
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Universidad Middlebury
La Universidad Middlebury (Middlebury College) es una universidad privada ubicada
en Middlebury, Vermont, Estados Unidos. Es una de las universidades más rigurosas en los
EEUU
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Determinación de e/m
V
Fixed Helmholtz Field
R2
Hacerlo para 4 valores de V y
para 5 radios
Hacerlo para 4 valores de I y
para 5 radios
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Espectroscopía atómica
Posibles transiciones en el átomo de He.
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