Expérience: Experience de Franck et Hertz sur le mercure
(115 V, 50/60 Hz)

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Description
Composants

Axe thématique :_..

• Enregistrement et évaluation de la courbe de Franck et Hertz sur le mercure.
• Détermination de l’écart ΔU des maxima ou minima de courant.
• Comparaison entre l’écart de tension et l’énergie d’excitation des atomes de mercure.

Description de l'expérience :_..

L’expérience de Franck et Hertz permet d’observer l’émission d’énergie des électrons après une collision inélastique lors du passage à travers la vapeur de mercure. Cette émission est progressive, car la collision entraîne une transmission d’énergie dans l’atome de mercure. L’expérience fournit ainsi la confirmation du modèle d’atome de Bohr et les niveaux d’énergie discrets dans les atomes.

Observation et Interprétation :_..

Dans un tube en verre sous vide, on trouve successivement une cathode chauffée C, une grille G et une électrode A. Des électrons s’échappant par la cathode sont accélérés vers la grille par une tension U. Ils traversent la grille et contribuent au courant I lorsque leur énergie cinétique suffit à surmonter la contre-tension (tension de retard) U_GA entre la grille et la plaque. En outre, le tube contient une goutte de mercure qui est réchauffée à une pression de vapeur d’environ 15 hPa.
Au fur et à mesure qu’augmente la tension U, le courant de plaque I augmente également dans un premier temps, car de plus en plus d’électrons sont aspirés par le champ électrique croissant du nuage de charge autour de la cathode. A partir d’une certaine valeur
U = U₁ toutefois, juste avant d’atteindre la grille, les électrons ont suffisamment d’énergie cinétique pour céder par une collision inélastique l’énergie requise à l’excitation d’un atome de mercure. Le courant de plaque chute pratiquement jusqu’à zéro, car les électrons ne sont plus en mesure de surmonter la contre-tension après la collision. La tension continuant à augmenter, les électrons présentent l’énergie nécessaire à l’excitation d’un atome de mercure toujours plus tôt devant la grille. Après la collision, ils sont de nouveau accélérés et obtiennent suffisamment d’énergie cinétique pour accéder à la plaque. Le courant de plaque recommence donc à augmenter.
En présence d’une tension encore plus élevée U = U₂, les électrons prennent une deuxième fois une telle quantité d’énergie après la première collision qu’ils peuvent exciter un deuxième atome de mercure. Avec cette tension, le courant de plaque chute considérablement pour augmenter de nouveau lorsque la tension augmente, jusqu’à ce qu’il retombe une troisième fois et, si les tensions sont encore plus élevées, plusieurs fois par la suite.