RAZÃO CARGA/MASSA DO ELÉTRON

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA NATUREZA N ATUREZA DEPARTAMENTO DE FÍSICA DISCIPLINA: LABORATÓRIO DE FÍSICA MODERNA PROF.ª: DR. PAULO CESAR DE OLIVEIRA

JOSVY ELLON LIMA DA SILVA

RELATÓRIO 1: RAZÃO CARGA/MASSA CARGA/MASS A DO ELÉTRON

João Pessoa/PB 2015

1 RESUMO Este trabalho apresenta um relatório experimental da disciplina de laboratório de física moderna do curso de física da Universidade Federal da Paraíba, onde tem por finalidade determina a razão carga/massa do elétron observando a deflexão de um feixe de raios catódicos acelerado por uma diferença de potencial quando submetido à ação de um campo magnético.

2 INTRODUÇÃO Utilizando uma ampola de Crookes, isto é, tubos de vidro fechados com um eletrodo positivo e outro negativo, contendo gases a pressões extremamente baixas; o cientista inglês Joseph John Thomson (1856-1940) fez uma descoberta imprescindível para a evolução do modelo atômico. Ele submeteu estes gases a voltagens elevadíssimas, desse modo foi possível observar o aparecimento de emissões, que foram denominadas raios catódicos. Em seguida, foi colocado um campo elétrico externo e, por f im, verificou-se que o feixe de raios catódicos era desviado, sempre indo na direção e sentido da placa carregada positivamente. Portanto, estas emissões possuíam cargas negativas.

Figura 1 – Visão esquemática do aparelho de Thomson. “Raios” repelidos pelo catodo são atraídos pelo anodo e alguns passam pelo colimador, formando um feixe. Esse feixe é defletido por placas ligadas a um a bateria, de modo a formar um forte campo elétrico entre elas; depois, move-se em uma região livre de forças, até bater na parede do tudo, produzindo um ponto de luz.

Outro ponto importante é que não importava o gás utilizado, sempre ocorria o mesmo; assim Thomson chegou à conclusão lógica de que estas cargas negativas estavam presentes em toda e qualquer matéria, eram parte integrante destas. Desse modo, provou-se que, ao contrário do que Dalton havia afirmado, o átomo não era indivisível,

pois

possuía

denominada elétron.

uma

partícula

subatômica

negativa,

que

ficou

Sequencialmente, em 1886, outro cientista, de nome Eugen Goldstein, descobriu os raios catódico ou canais, que eram raios carregados positivamente, formados pelo que sobrou dos átomos do gás que teve seus elétrons arrancados pela descarga elétrica. Sabia-se que estes raios possuíam carga positiva porque eram desviados na direção oposta da dos raios catódicos, ou seja, eram atraídos pela placa negativa. Descobriu-se então que o átomo também possuía uma parte positiva, o que inclusive era necessário para manter sua neutralidade elétrica. Desse modo, J. J. Thomson propôs um novo modelo para o átomo, apelidado de “pudim de passas” ou “pudim de ameixas”. Seria uma esfera de carga positiva, não maciça, incrustada de elétrons (negativos), de modo que sua carga elétrica total é nula.  A carga especifica do elétron pode ser determinada experimentalmente de uma maneira

relativamente

fácil.

Um

elétron

movendo-se

com

velocidade

v 

perpendicularmente a um campo magnético uniforme B  fica sujeito a uma força magnética

⃗   )  = (

01

que é perpendicular ao campo magnético B e à velocidade v . Esta atua como força centrípeta mantendo o elétron em uma órbita de raio r, isto é 

 =  

→

 

   = 

(02)

No experimento os elétrons são acelerados por um potencial V , de modo que a sua energia cinética é dada por

1  =    03 2 De (02) e (03) obtemos a carga específica do elétron:

 2 =   04   assim conhecendo-se a intensidade do campo magnético B, o potencial V, e o raio da órbita do elétron determinamos a razão e/m. Para a bobina de Helmholtz com 2 bobinas o campo magnético é dado por 

4   =     05 5 

Onde:

  é constante de permeabilidade magnética = 1,257 ∙ 10−6  / n é o número de voltas da bobina = 154. R é o raio da bobina = 20 cm.

3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL  A montagem experimental foi feita como mostrado na figura 2.

Figura 2 – Visão geral do equipamento

3.1 Arranjo experimental O aparato experimental consiste de um tubo de raios catódicos que produz um feixe de elétrons quando acelerado por uma diferença de potencial V , esse feixe estava sujeito a um campo magnético produzido por bobinas de Helmholtz o que faz com que esse feixe assuma uma trajetória circular. Fixamos um potencial V  e ajustaremos o valor da corrente I  para que os raios r  das trajetórias dos feixes sejam de 2 cm, 3 cm, 4 cm e 5 cm. Então teremos para um determinado potencial V , um valor de corrente I   para o qual o raio da trajetória será um valor esperado. O próprio equipamento já conta com marcações para essas distâncias e não será necessário fazer medições manuais.

Figura 3 – Circunferência do feixe de elétrons colimados sofrendo a ação de um campo magnético

3.2 Material Os materiais consistem de: (a) Par de bobinas de Helmholtz. (b) Fonte de alimentação regulável 0...600 V. (c) Fonte de alimentação universal. (d) Dois multímetros digitais. (e) Tubo de raios catódicos. (f) Cabos de ligação.

4 RESULTADOS  A tabela abaixo amostra todos os resultados obtidos no experimento. Nesse experimento, três grandezas são medidas diretamente: o raio r  da órbita, a corrente I na bobina e a tensão V   no tubo. Assim, obtemos a razão e/m da seguinte maneira: fixando uma tensão V   no par de bobinas e variando a corrente I , podemos ajustar o raio da órbita pra que coincida com o raio definido na escala do próprio e quipamento.  Após obtidos todos os resultados (V , I e r ) utilizamos as equações (05) e (04) para encontramos a razão e/mo .

Figura 4 – Feixe de elétrons colimados colidindo com hastes de marcação do raio orbital.

r = 0,02m

Raio da trajetória

r = 0,03m

r= 0,04m

r= 0,05m

Tensão (V)

 I (A)

/ 10   

 I (A)

/ 10   

 I (A)

/ 10   

 I (A)

/ 10   

120

2,70

1,72

1,63

2,09

1,2

2,17

0,93

2,31

140

2,89

1,75

1,85

1,90

1,36

1,97

1,06

2,08

160

3,11

1,72

2,01

1,84

1,47

1,93

1,16

1,98

180

3,32

1,70

2,16

1,79

1,59

1,86

1,25

1,92

200

3,52

1,68

2,29

1,77

1,69

1,83

1,33

1,89

220

3,7

1,68

2,41

1,76

1,77

1,83

1,41

1,85

240

3,85

1,69

2,52

1,75

1,86

1,81

1,48

1,83

260

3,97

1,72

2,62

1,76

1,94

1,80

1,53

1,85

280

-

-

2,74

1,73

2,01

1,81

1,6

1,82

300

-

-

2,83

1,74

2,09

1,79

1,66

1,82

5 CONCLUSÕES Portando, concluímos que pelos resultados obtidos chegamos em uma média das razões e/mo de um valor de aproximadamente

1,84∙10 / ,

onde isso

significar que chegando a 104,6% do valor da carga/massa da literatura que é de

1,759 ∙ 10 / ,

ou seja temos um erro de aproximadamente de 4,6%. E se

pegamos a mediana dos valores das razões e/mo obtidos chegamos em valor de

1,81∙10 /   chegando

a 102,9% do valor de literatura, portando um erro de

aproximadamente de 2,9%.

6 REFERÊNCIAS . Acesso em: 18 de abril de 2015

< http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S1806-11172011000100023&script=sci_arttext >. Acesado em 17 de abril de 2015.

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