Scheda per il lavoro in Lab sull esperimento Franck-Hertz. 2 Discussione del quadro della fisica e della tecnica in termini di successione dei punti

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1 Università degli Studi di Udine - Udine Unità di Ricerca in Didattica della Fisica Scuola Estiva per Studenti di eccellenza in Fisica Moderna Udine, Giugn 2014 Scheda per il lavoro in Lab sull esperimento Franck-Hertz Gruppo no. Nome: AVVERTENZE SUIO RISCHI POTENZIALI Il sistema non presenta alcun rischio di incidente per l operatore - Attenzione a non rompere il tubo contenente l electron-gun e gas Ne, qualche scheggi di vetro potrebbe provocare ferite (l apparato sarebbe gravemente danneggiato). - Avere le normali attenzioni ai collegamenti elettrici 1 Introduzione Il fisico è un indagatore dell natura. I due esperimenti Frank-Hertz e Misura e/m sono due esperimenti fondamentali della Struttura della Materia. In ambedue abbiamo elettroni a energia definita come probes per l indagine fisica: - FH indagine della struttura a livelli dell atomo - e/m caratteristica del moto di una carica in un campo magnetico, una componente della forza di Lorentz. 2 Discussione del quadro della fisica e della tecnica in termini di successione dei punti La verifica di una legge e/o fenomeno di Fisica ha due momenti programmatori: (1) definizione precisa della legge e/o fenomeno con la relativa fisica e (2) individuazione dell apparato tecnologico (il più semplice) che assicura le misure che evidenziano con chiarezza il fenomeno. Una volta fatta la programmazione dell esperimento si passa alla realizzazione dell apparato e quindi alle misure. In piccolo facciamo questi passaggi per il nostro esperimento di fisica. Nota per lo studente: non si scrive quando non si sa, la scrittura di una stupidaggine fisica è ben peggiore del silenzio Cosa dobbiamo verificare? Quale legge di Fisica dobbiamo verificare? Qual è l idea fondante dell esperimento, cioè l idea che permette di produrre un processo di fisica in cui avviene un interazione che porta ad un risultato che evidenzia il fatto o il modello fisico che si vuol verificare? Quale interazione di fisica avevano pensato i due scienziati Frank ed Hertz per poter verificare il modello di atomo a livelli? (domande equivalenti) 1

2 Scrivi la ragione fisica, cioè il modello di interazione ipotizzata, che sottende l idea fondante. Quale argomento avevano portato Frank-Hertz per sostenere la loro idea sopra scritta? Come viene implementata sperimentalmente l idea fondante dell esperimento? Qualè lo schema di principio dell apparato sperimentale? Quali sono gli elementi che permettono la implementazione dell idea per la verifica della legge di fisica che si vuole realizzare? Sono formulazioni diverse della stessa domanda. Utilizza qualche schema/disegno per spiegare. È conveniente scrivere la risposta per punti, esempio: generazione elettroni, interazione, misure, ricerca verifiche,... Alcune domande guida: 1. Premessa: abbiamo detto sopra che dobbiamo realizzare l urto elettroneatomo. La domanda che dobbiamo porci è: quali componenti dovrà avere l apparato? 2. Qual è il principio del catodo comune, cioè di un emettitore di elettroni? 3. Quali caratteristiche dovranno avere gli elettroni per far si che nell urto elettrone-atomo si possa mettere in evidenza il fenomeno cercato? 4. Come si può realizzare un fascio elettronico ad energia crescente? 5. Come deve essere l elettrodo accelerante per essere trasparente agli elettroni? 6. Quanti eletroni, cioè quale intensità di corrente eletronica devo produrre? 2

3 7. Con quale tecnica determino la intensità del fascio elettronico? 8. A quale valore posso fissare l energia degli elettroni? 9. Con quale tecnica semplice posso misurare una corrente elettronica? In conclusione: come deve essere fatto il cannoncino di elettroni per poter misurare la corrente del fascio? È conveniente fare uno schizzo. Qualè l andamento aspettato della corrente elettronica? Considerazione: un cannone di elettroni con glriglia accelerante a dente di sega produce-genera un fascio elettronico a corrente crescente con la tensione (non è a dente di sega ma esponenziale per una particolare interazione fisica, legge del triodo catodo-griglia estrattrice-griglia accelerante). Poichè i a = 0 i a 0 alla risonanza fuori risonanza il grafico della corrente all oscilloscopio sarà crescente con caduta a zero veloce per determinati valori della tensione accelerante. 3

4 3 L apparato e le Misure Per fare un esperimento di Fisica è necessario progettare un apparato che permette (a) da un lato la produzione degli eventi fisici che si intendono analizzare e (b) dall altro lato fare le misure che verificano il fenomeno che si vuol verificare. Scrivete gli elementi/blocchi dell apparato e la loro funzione. Qui è opportuno fare uno schema a blocchi e descrivere le operazioni fondamentali di ciascun blocco Ricordando come tecnicamente viene realizzato un fascio di elettroni con energia a dente di sega, fai la misura della tensione a dente di sega e scrivi le operazioni fatte ed le catteristiche del dente di sega. Riporta la misura fatta, le attenzioni e le scelte operate e le osservazioni o note che ti la misura ti suggerisce. Ricordando come tecnicamente viene trasformata la corrente elettronica in corrente elettrica, (gli elettroni del fascio sono intercettati da un elettrodo collettore e questo viene collegato a massa via una resistenza R. Ai capi della resistenza si stabilirà una tensione V a = R i a ) 4

5 scrivi la funzione y=f(x) con le variabili del nostro caso e disegna il piano cartesiano sul foglio, e disegna anche la curva della corrente aspettata con il dente di sega misurato. Come deve essere l assetto dell oscilloscopio per avere sullo schermo il grafico della corrente? Lo schermo dell oscilloscopio è un riquadro (a quadretti) del tuo quaderno. Devi quindi immaginare come faresti sul quaderno il grafico. Riporta la misura fatta, le attenzioni e le scelte operate e le osservazioni o note che la misura ti suggerisce. Però in linea di principio si può pensare di far modulare la tensione della griglia accelerante dall operatore al fine di poter osservare il comportamento punto per punto del valore della tensione accelerante. 5

6 Scrivi con quali regimi di funzionamento del sistema hai operato e scrivi una frase di motivazione. Scrivi con quale razionale hai fissato le tensioni. Riporta la tabella dei dati relativi ai grafici tensione-corrente. Il suggerimento è riportare i punti significativi. Ricostruisci i grafici sulla base dei punti della tabella. Fai la controverifica del passaggio dell energia dell elettrone all atomo vedendo che ai piani dove avviene l urto risonante gli atomi eccitati dagli elettroni emettono un fotone (nel rosso) nel loro processo di diseccitazione verso lo stato stabile. 4 Analisi dei dati e commenti Ottenute le misure ed i grafici si passa a fare l analisi matematica e fisica dei dati e dei grafici, cioè dei risultati dell esperimento. Proponiamo alcune domande coma guida. Quante divisioni/unità ha la curva sull asse x? Quanti picchi (valli) di corrente presenta la curva U2 i a? Com è l andamento generale delle curve tensione-corrente? 6

7 Commenta la sezione di crescita della curva di corrente fino al primo massimo. Commenta la larghezza dei picchi (e valli). Quanto vale la distanza tra i picchi? e corrisponde al valore aspettato di 19 ev? 7