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 PRACTICA DE LABORATORIO Nº 4 ESTRUCTURA ATÓMICA EXPERIMENTO Nº 1: EXPERIMENTO CON EL TUBO DE RAYOS CATÓDICOS DE THOMSON. I. OBJETIVOS Determinar la relación car ga/masa del electrón considerando las variables: desviación de un haz de electrones (rayos catódicos) y la magnitud del campo eléctrico - campo magnético que generan la desviación. ompar ar la el valor de la r elación ca rg a/masa obtenida en el e!perimento con el valor aceptado y calculado por "homson. II. FUNDAMENTO TEÓRICO #os rayos catódicos son corrientes de electrones observados en tubos de vac$o% es decir los tubos de cristal que se equipan por lo menos con dos electrodos% un c&todo (electrodo negativo) y un &nodo(electrodo positivo) en una con'guración conocida como diodo. uando se calienta el c&todo% emite una cierta radiación que viaa hacia el &nodo. i las paredes internas de vidrio detr&s del &nodo est&n cubiertas con un material *uorescente% brillan intensamente. +na capa de metal colocada entre los electrodos proyecta una sombra en la capa *uorescente. ,s to signi'ca que la causa de la emisión de luz son los rayos emitidos por el c&todo al golpear la capa *uorescente. #os rayos viaan hacia el &nodo en l$nea recta% y continan m&s all& de él durante una cierta distancia. ,n el ao 012% el 3$sico inglés 4oseph 4ohn "homson estudió el comportamiento y los e3ectos de los rayos catódicos. ,n sus e! per imentaciones obser que cuando en un tubo de vidrio que lleva soldados dos electrodos conectados a una gr an te nsión (de 56666 a 66666 voltios) se hace el vac$o (apro !imadamente 6%66 mm78)% al producirse una descarga se aprecia una luminosidad o *uorescencia verdosa en la pared localizada 3rente al c&todo% que los investigadores supusieron que era debida a la e!istencia de unos rayos procedentes del electrodo negati vo% que llamar on rayos cadicos. egn las observaciones de  "homson% es tos rayo s: e propagan en l$nea recta. 9l colocar un im&n% se produce un campo magnético el cu&l desv$a a los rayos catódicos. (egla de la mano derecha) ;roducen e3ectos mec&nicos% térmicos% qu$micos y luminosos.

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PRACTICA DE LABORATORIO Nº 4

ESTRUCTURA ATÓMICA

EXPERIMENTO Nº 1: EXPERIMENTO CON EL TUBO DE RAYOSCATÓDICOS DE THOMSON.

I. OBJETIVOS

• Determinar la relación carga/masa del electrón considerando lasvariables: desviación de un haz de electrones (rayos catódicos) y lamagnitud del campo eléctrico - campo magnético que generanla desviación.

• omparar la el valor de la relación carga/masa obtenida en ele!perimento con el valor aceptado y calculado por "homson.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

#os rayos catódicos son corrientes de electrones observados en tubos devac$o% es decir los tubos de cristal que se equipan por lo menos con doselectrodos% un c&todo (electrodo negativo) y un &nodo (electrodo positivo) enuna con'guración conocida como diodo . uando se calienta el c&todo% emiteuna cierta radiación que via a hacia el &nodo. i las paredes internas devidrio detr&s del &nodo est&n cubiertas con un material *uorescente % brillan

intensamente. +na capa de metal colocada entre los electrodos proyectauna sombra en la capa *uorescente. ,sto signi'ca que la causa de laemisión de luz son los rayos emitidos por el c&todo al golpear la capa*uorescente. #os rayos via an hacia el &nodo en l$nea recta% y contin anm&s all& de él durante una cierta distancia.

,n el a o 012 % el3$sico inglés 4oseph 4ohn "homson estudió elcomportamiento y los e3ectos de los rayos catódicos. ,n suse!perimentaciones observó que cuando en un tubo de vidrio que llevasoldados dos electrodos conectados a una gran tensión (de 56666 a

66666 voltios ) se hace el vac$o (apro!imadamente 6%66 mm78 )% alproducirse una descarga se aprecia una luminosidad o *uorescencia verdosaen la pared localizada 3rente al c&todo % que los investigadores supusieronque era debida a la e!istencia de unos rayos procedentes del electrodonegativo% que llamaron rayos catódicos. eg n las observaciones de

"homson% estos rayos:

• e propagan en l$nea recta.

• 9l colocar un im&n% se produce un campo magnético el cu&l desv$a a

los rayos catódicos. ( egla de la mano derecha)

• ;roducen e3ectos mec&nicos% térmicos% qu$micos y luminosos.

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Datos e!perimentales (desviación% campo eléctrico y magnético

<i ar campo magnético de regreso a cero

=ariar la magnitud del campo eléctrico (generando desviación)

>alancear la 3uerza eléctrica aumentando el valor del campo magnético

ayos catódicos

<i ar la intensidad de corriente en u9y la energ$a cinética en 66e=

ampo magnético a ?6u"

9notar las observaciones

ampo eléctrico a 6 =

9notar las observaciones

• i se pone unas aspas delante% las hace girar% demostrando as$ que el

electrón tiene masa.

• us componentes% los electrones% son universales% puesto que al

cambiar el gas contenido en el tubo% no cambia la naturaleza de losrayos.

,l 3$sico inglés 4.4 "homson% en 012% al estudiar las propiedades y lose3ectos de los rayos catódicos% dedu o inicialmente su car&cter corpuscular ysu naturaleza eléctrica negativa.

+na vez hecho el estudio de la relación carga/masa para tales part$culas% seobtuvo siempre el mismo valor ( %2@021A B 6 /Cg) 3ueran cuales 3uesenlas condiciones en las que se produ eran los rayos y la naturaleza del gasencerrado en el tubo.

III. PARTE EXPERIMENTAL

1.Equi !" # $%&'(i%)'"

<uente de rayos catódicos +n campo eléctrico

+n par de imanes +na pantalla 3os3orecente

*.Di%+(%$% #, (!-' i$i'/&! '0 '(i$'/&%)

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. O2"'(3%-i!/'" '0 '(i$'/&%)'" #,! %&!" &%2u)% !"

on el campo magnético en ?6u"% la mancha se desplazó ?.@cm a la derecha del centro.

on el campo eléctrico en 6 =% la mancha se desplazó cm ala derecha del centro.

T%2)% N 1: D'"3i%-i5/ (! u-i %6 -%$ ! ')7-&(i-! # -%$ !$%+/7&i-!

Dato

Desviación 8 9 ampo eléctrico que produce la desviaciónE V9

ampo magnético quebalancea la 3uerza eléctric

a 8B95.6 cm @ = 2 u"

5 ?.@ cm 1 = ?6 u"

? .6 cm 6 = ? u"

@.6 cm ? = u"@ @.@ cm = 2 u"

4. C )-u)!"6 ('%--i!/'" qu;$i-%" #,! ('"u)&% !" &%2u)% !"

e reemplazó los datos de la "abla FG en la 3órmula:

elación carga/masa:

T%2)% ' ('"u)&% !" N 1: V%)!( ' )% (')%-i5/ -%(+%')'-&(i-%,$%"%

D%&! C%(+% ')'-&(i-%,$%"%<',$=

- .2@0A! 6

5 - .2201! 6

? -.2@02! 6.26A ! 6

@ .22 A! 6=alor

;romedi.2@ 0 ! 6

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P!(-'/&%>' ' '((!(:

? ,rror porcental H .2@ 0 ! 6 I .2@00 ! 6 ! 66 H 6.55J .2@00 ! 6

@. Di"-u"i5/ ' ('"u)&% !"#os rayos catódicos (electrones se originan en la placa negativa(c&todo) y se aceleran hacia la placa positiva (&nodo) que tiene unagu ero en el centro. +n haz de electrones por el agu ero% y sutrayectoria se desv$a posteriormente con la acción de los camposeléctrico y magnético.,l haz de rayos catódicos choca con el punto centro de la pantalla3os3orescente si las 3uerzas e ercidas sobre el haz por los camposeléctrico y magnético se contrarrestan o si estas son nulas.

onociendo la intensidad del campo eléctrico y magnético y ladesviación producida sobre la dirección del haz% se puedo calcular larelación carga eléctrica-masa del electrón.

,n el e!perimento% el valor de e/m que se obtuvo es muy cercano alresultado actualmente conocido ya el error porcentual3ue de solo 6.55 J.

III. CONCLUSIONES

• e logró determinar la relación carga/masa del electrónconsiderando las variables: desviación de un haz de electrones(rayos catódicos) y la magnitud del campo eléctrico - campomagnético que generan la desviación.

• e omparaó la el valor de la relación carga/masa obtenida en ele!perimento con el valor aceptado y calculado por "homson.

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A. E0 '(i$'/&! Nº *: E0 '(i$'/&! ' )% +!&% ' %-'i&' ' Mi))i %/

I. OBJETIVOS

• alcular el valor de la carga eléctrica del electrón.Kbtener la magnitud de la masa del electrón por medio de larelación de carga/masa obtenida en el e!perimento FG

omparar los valores e!perimentales con los aceptados y conocidoshoy.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

9 partir del a o 166% mientras era pro3esor en la +niversidad de hicago %LilliCan% con la importante aportación de <letcher% traba ó en el e!perimentode la gota de aceite con el que midió la carga de un nico electrón. Despuésde una publicación sobre sus primeros resultados en 1 6.

u e!perimento mide la intensidad de 3uerza eléctrica contra la 3uerza deatracción gravitatoria en las min sculas gotas de aceite% cargadas porrozamiento% suspendidas entre dos electrodos met&licos. onociendoel campo eléctrico % se determina la carga en la gota. epitiendo ele!perimento para muchas gotas% LilliCan demostró que los resultadospod$an ser e!plicados como m ltiplos enteros de un valor com n %@15! 6 -

1 % la carga de un nico electrón.

#a llamada carga elemental e es una de las constantes3$sicas 3undamentales y su valor e!acto es de gran importancia. ,n 15?%LilliCan% ganó el ;remio Fobel de 3$sica% en parte debido a este e!perimento.

9parte de la medición% la belleza del e!perimento de la gota de aceite resideen que es una simple y elegante demostración pr&ctica de que la carga est&en realidad cuantizada. "homas ,dison % quien hab$a considerado la cargacomo una variable continua% se convenció después de traba ar con elaparato de LilliCan y <letcher. ,ste e!perimento ha sido repetido porgeneraciones de estudiantes de 3$sica% aunque es bastante caro y di3$cil dehacer correctamente.

,l aparato de obert LilliCan incorpora un par de placas met&licas paralelashorizontales. 9l aplicar una di3erencia de potencial entre las placas% se creaun campo eléctrico uni3orme en el espacio entre ellas. e utilizó un anillo de

material aislante para mantener las placas separadas. uatro agu eros secortaron en el anillo% tres para la iluminación con una luz brillante% y otrapara permitir la visualización a través de un microscopio.

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+na 'na niebla de gotas de aceite se roció a una c&mara por encima de lasplacas. ,l aceite era de un tipo utilizado normalmente en aparatosde vac$o y 3ue elegido porque ten$a una presión de vapor e!tremadamenteba a. ,l aceite ordinario se evaporar$a ba o el calor de la 3uente de luzcausando que la masa de la gota de aceite cambiara durante el transcursodel e!perimento. 9lgunas gotas de aceite se cargaban eléctricamente através de la 3ricción con la boquilla cuando 3ueron rociadas% mientras otrasse descargaban hasta hacerse cationes y otras se volv$an neutras. omoalternativa% la carga podr$a llevarse a cabo mediante la inclusión de una3uente de radiación ionizante (como un tubo de rayos M ).

III. PARTE EXPERIMENTAL1.Equi !" # $%&'(i%)'"

ampo eléctrico &mara de video con ocular microscópico +n campo eléctrico

*.Di%+(%$% #,! (!-' i$i'/&! '0 '(i$'/&%)

e midió determinadas distancias recorridas por una gota y el tiempo

que tardó en realizarlas. é midió el volta e necesario para detener la ca$da de la gota. e repitió las mediciones para otras gotas.

#as gotas de aceite caen a su velocidad terminal% quees la velocidad m&!ima posible debida a 3uerzas de 3riccióncomo la resistencia del aire. #a velocidad terminal es una 3uncióndel radio de la gota. 9l medir la velocidad terminal (vt) deuna gota% se puede calcular su radio (r). Después se puedecalcular la masa (m) de la gota a partir de su radio y ladensidad del aceite. 9l conocer la masa de la gota de aceite%se puede calcular la carga (N tot ) sobre la gota.

. O2"'(3%-i!/'" '0 '(i$'/&%)'" #,! %&!" &%2u)% !"

T%2)% ' %&!" N *: V!)&%>' ' ('/% ! &i'$ ! i"&%/-i%('-!((i %

gota volta e ( V , en volts)

tiempo ( t , en segundos)

distancia ( d , en metros)

516 . 0 6.?2@! 6 -?

5 ?25 . 0 6.@! 6-?

? 16A A.@A 6.@! 6 -?

@66 @.01 6.A5@! 6 -?

5 .62 6.?2@ ! 6 -?

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4. C )-u)!"6 ('%--i!/'"qu;$i-%" #,! ('"u)&% !" &%2u)% !"

e utilizó las siguientes 3ormulas:

T%2)% ' ('"u)&% !" N *: %( $'&(!" %(% -%)-u)%( )% -%(+% &!&%)-%(+% &!&%) C%(+% ')7-&(i-% ') ')'-&(5/

T%2)% ' ('"u)&% !" N : Nu$'(! ')'-&(!/'" -%(+%')'-&(i-%

gota =elocidad(V6 N% en

adio((% en

?

Lasa ( $6en Cg)

arga total( &!&%)%en

6.6012! 6 -? 0.@A50!-2

6.5 @1! 6 - 2.?6??! 6 - 1

5 6. 1A! 6 -? 1.0026-2

6.??5 ! 6 - 0.2A@5 ! 6 - 1

? 6. 6A ! 6 -? 1.? 5-2

6.5222 ! 6 - @. 0 ! 6 - 1

6.615 ! 6 -? 0.A2A5-2

6.55 A ! 6 - @. 1A@ ! 6 - 1

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Error porcentual = Valor obtenido – valor aceptado

valor aceptado

,rror porcentual H .2AA2 ! 6 - 1 I .A655 ! 6 - 1 H 6.52 J.A655 ! 6 - 1

C )-u)! ' )% $%"% ') ')'-&(5/ -!/ ') 3%)!( !2&'/i ! ' )%(')%-i5/ -%(+% $%"% ') '0 '(i$'/&! I

e -/m e-H H .2@ 0 ! 6 H .2AA2 ! 6 - 1

m e-

m e- H 6.6A20! 6 -?

,rror porcentual H 6.6A20! 6 -? I 1. 61 ! 6 -? H 6.@ J 1. 61 ! 6 -?

@. Di"-u"i5/ ' ('"u)&% !"

9l aumentar el volta e entre las placas% la gota cargadanegativamente cae m&s despacio% puesto que es atra$da por la placapositiva. ,n un momento determinado se igualan las 3uerzasgravitatorias y eléctricas y la gota queda estacionaria. 9l conocerseel volta e y la masa de la gota% se puede determinar la carga de lamisma.

"eniendo el valor de la carga total% se dividió entre el menor valor%luego se multiplicó los valores obtenidos por el menor entero

,ntre el menorvalor(@. 1A@

! 6 - 1

Fuero deelectrone(n e)

arga eléctricadel electron(e)

. 6@ .05@0! 6 - 1

.A0A0 @ .A1?6! 6 - 1

.6 0@ ? .0 A ! 6 - 1

? .2?55! 6 - 1

=alor ;romediode la carga

eléctrica delelectrón

.2AA2 ! 6 - 1

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posible% buscando que el resultado se apro!ime a un entero. ,steentero el n mero de electrones dentro de la gota. 9l calcular el valorde la carga del electrón y promediar los valores el error porcentualrespecto al valor aceptado y conocido hoy es d 6.52 J.

De esta manera% dado que "omsom llegó a la conclusión que losrayos catódicos son part$culas 3undamentales y est&n presentes encualquier material y adem&s gracias a los resultados de LliOan% lacarga eléctrica siempre es un m ltiplo de e-.

IV. CONCLUSIONES

• e consiguió calcular el valor de la carga eléctrica del electrón.e logró obtener la magnitud de la masa del electrón por medio de

la relación de carga/masa obtenida en el e!perimento FG e pudo comparar los valores e!perimentales con los aceptados y

conocidos hoy

E. EXPERIMENTO Nº @: ESPECTROS DE EMISIÓN ATÓMICA

I. OBJETIVOS

• Kbservar los espectros de emisión de 75(g) y 7e(g)• omparar los espectros de emisión de 75(g) y 7e(g)

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

,l espectro de emisión atómica de un elemento es un con untode 3recuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por &tomos de eseelemento% en estado gaseoso % cuando se le comunica energ$a . ,l espectrode emisión de cada elemento es nico y puede ser usado para determinar siese elemento es parte de un compuesto desconocido.

#as caracter$sticas del espectro de emisión de algunos elementos sonclaramente visibles a o o descubierto cuando estos elementos soncalentados. ;or e emplo% cuando un alambre de platino es ba ado en unasolución de nitrato de estroncio y después es introducido en una llama% los&tomos de estroncio emiten color ro o. De manera similar% cuando el obrees introducido en una llama% ésta se convierte en luz verde. ,stascaracterizaciones determinadas permiten identi'car los elementos mediantesu espectro de emisión atómica.

,l hecho de que sólo algunos colores aparezcan en las emisiones atómicasde los elementos signi'ca que sólo determinadas 3recuencias de luz sonemitidas. ada una de estas 3recuencias est&n relacionadas conla energ$a de la 3órmula:

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, 3otón H hP

donde E es la energ$a% h es la constante de ;lancC y ν es la 3recuencia. #a3recuencia ν es igual a:

P H c/Q

donde c es la velocidad de la luz en el vac$o y λ es la longitud de onda .

on esto se concluye que sólo algunos 3otones con ciertas energ$as sonemitidos por el &tomo. ,l principio del espectro de emisión atómica e!plicala variedad de colores en signos de neón % as$ como los resultados de laspruebas de las llamas qu$micas mencionadas anteriormente.

#as 3recuencias de luz que un &tomo puede emitir depende delos estados en que los electrones pueden estar. uando est&n e!citados% loselectrones se mueven hacia una capa de energ$a superior. R cuando caenhacia su capa normal emiten la luz.

III. PARTE EXPERIMENTAL

1. Equi !" # $%&'(i%)'"

+n "ubo de descarga(gas) +n campo eléctrico

+n espectrómetro

*. Di%+(%$% #,! (!-' i$i'/&! '0 '(i$'/&%)

e tomó una muestra de hidrógeno (gas 7 5) y se lo colocó en el tubode descarga.

e dispuso el campo eléctrico unto con el tubo de descarga y 3rentea ellos el espectrómetro.

e ' ó el volta e en ?66 =. e encendió el espectro y se observó el espectro de l$neas del

hidrógeno en el rango de luz visible e registró los colores de las l$neas y las longitudes de onda de cada uno. e repitió os pasos para una muestra de helio (gas)

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. O2"'(3%-i!/'" '0 '(i$'/&%)'" #,! %&!" &%2u)% !"

• ;ara el espectro de emisión de hidrogeno en el rango de luzvisible se observaron cuatro lineas.

<igura FG : espectro de emisión del 7 5(g)

• ;ara el espectro de emission del helio en l rango de luz visible seobservaron

<igura FG 5: espectro de emisión del 7e (g)

4. C )-u)!"6 ('%--i!/'" qu;$i-%" #,! ('"u)&% !" &%2u)% !"

T%2)% '('"u)&% !" N 4 );/'%" '" '-&(%)'": -!)!( # )!/+i&u '!/ % % %" %(% ') H *<+= # H' <+=

gas olor de la linea #ongitud de onda de la l$neaen nm

7 5

a il 6.06??azul ? .16?6

turquesa 02.5@2Aro o [email protected]

7e

a il 6?.?5azul 3uerte 0. 11

celeste 3uerte A0.12@celeste débil 215.5115verde claro @65.5 A

amarillo anaran ado @0A.106Aro o AA0. 5

@. Di"-u"i5/ ' ('"u)&% !"

#os gases emiten luz cuando son e!citados y uno de los mecanismospara lograrlo es produciendo una descarga eléctrica en el interior de

un gas. #a radiación emitida por los gases puede separarse endi3erentes longitudes de onda por medio de un prisma.

ada gas puede identi'carse a partir de su espectro de l$neas% en ele!perimento el hidrógeno genera menos l$neas que el 7elio puesto

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que este ltimo es diatónico y por ende se dan mayor cantidad detransiciones electrónicas. uanto mayor es el n mero de estas seemiten m&s 3otones de energ$a con distinta longitudes de onda.

IV. CONCLUSIONES

• e logró observar los espectros de emisión de 75(g) y 7e(g)• e consiguió comparar los espectros de emisión de 75(g) y 7e(g)