P6.2.4.2
Physique atomique et nucléaire
Couche électronique
Expérience de Franck-Hertz
Expérience de Franck-Hertz
avec le mercure - Tracé et
évaluation avec CASSY
Description tirée de CASSY Lab 2
CASSY Lab 2 (2013-06-07)
Pour charger des exemples et des
paramétrages, merci de bien vouloir
utiliser l'aide de CASSY Lab 2.
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CASSY Lab 2
Expérience de Franck et Hertz avec le mercure
Convient aussi pour Pocket-CASSY
Description de l'expérience
En 1914, James Franck et Gustav Hertz ont fait un compte-rendu sur la perte d'énergie progressive suscitée au passage des électrons dans de la vapeur de mercure et sur l'émission de la raie ultraviolette (λ = 254 nm) du mercure
qui lui est subordonnée. Quelques mois plus tard, Niels Bohr a reconnu dans cette étude une preuve pour le modèle
atomique développé par lui-même. L'expérience de Franck et Hertz est donc une expérience classique pour la vérification de la théorie des quanta.
Dans l'expérience, on augmente la tension d'accélération U 2 de 0 V à 30 V pour une tension d'aspiration U1 fixe et
une tension inverse U3 puis on mesure le courant du collecteur IA. Dans un premier temps, il augmente un peu
comme dans le cas d'une tétrode classique mais il atteint un maximum lorsque l'énergie cinétique des électrons suffit
tout juste devant la grille G2 pour délivrer par collision l'énergie requise pour l'excitation d'un atome de mercure (E Hg
= 4,9 eV). Le courant du collecteur baisse nettement étant donné que les électrons ne peuvent plus surmonter la
tension inverse U3 après le choc.
Au fur et à mesure que la tension d'accélération U2 augmente, les électrons atteignent l'énergie nécessaire à l'excitation des atomes de mercure toujours plus loin devant la grille G2. Après le choc, ils sont réaccélérés et absorbent à
nouveau tellement d'énergie du champ électrique pour une tension d'accélération suffisante qu'ils peuvent exciter un
atome de mercure. Il s'ensuit un deuxième maximum et pour une tension U 2 encore plus grande, d'autres maxima du
courant du collecteur IA.
Matériel requis
1
Sensor-CASSY
524 010 ou 524 013
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tube de Franck-Hertz au mercure
douille de raccordement pour le tube de
Franck-Hertz au mercure
four électrique, 230 V
alimentation pour tube de Franck-Hertz
sonde de température NiCr-Ni
paires de câbles, 100 cm, rouges et bleus
PC avec Windows XP/Vista/7/8
524 220
555 854
555 864
555 81
555 880
666 193
501 46
Montage expérimental (voir schéma)
Laisser l'alimentation hors service.
Brancher le four au dos de l'alimentation par le biais des douilles de sécurité de 4 mm. Veiller notamment à ce
que la fiche jaune-verte soit connectée à la douille de sécurité jaune-verte (mise à la terre).
Egalement raccorder le fil de cuivre du tube en cuivre avec fiche de 4 mm à la douille de sécurité jaune-verte
(blindage du tube de Franck-Hertz contre les champs perturbateurs).
Brancher la sonde de température à la douille DIN « NiCr-Ni » et le tube de Franck-Hertz à la douille DIN « Tube
de Franck-Hertz » de l'alimentation.
Introduire la sonde de température dans le perçage du four prévu à cet effet jusqu'au fond du trou borgne du tube
en cuivre puis placer le tube de Franck-Hertz avec le tube en cuivre dans le four.
Remarque : en cas de mauvais contact thermique de la sonde de température, la température du four mesurée
sera trop faible et le tube trop chauffé.
Régler le sélecteur du mode de service sur RESET et mettre l'alimentation en marche (au bout de quelques secondes, le témoin lumineux (LED) pour le mercure passe du vert au rouge).
Vérifier le préréglage ϑS = 180 °C et attendre que la température de service soit atteinte (le témoin lumineux
passe du rouge au vert, la température ϑ atteint d'abord un maximum et baisse ensuite jusqu'à la valeur finale).
Si l'affichage clignote :
Corriger l'erreur de montage relative à la mesure de la température (voir mode d'emploi).
Connecter l'entrée de tension A du Sensor-CASSY à la sortie UA pour la tension proportionnelle au courant du
collecteur et l'entrée de tension B du Sensor-CASSY à la sortie U2/10 pour la tension d'accélération.
Procédure expérimentale
Charger les paramétrages
Régler la tension d'aspiration U1 = 1,5 V et la tension inverse U3 = 1,5 V puis tracer la courbe de Franck-Hertz
dans le mode de service « Rampe ». Pour ce faire, lancer la mesure avec
et immédiatement régler le sélecteur
du mode de service sur « Rampe ». La mesure s'arrête automatiquement au bout de 15 s, ensuite, ramener le
sélecteur du mode de service sur RESET.
1) Optimisation de ϑ
Si la courbe de Franck-Hertz augmente brusquement (a) et que l'on observe à travers le trou du four une décharge
de gaz à l'aspect d'une luminescence bleue dans le tube de Franck-Hertz :
immédiatement régler le sélecteur du mode de service sur RESET et attendre que la température de service soit
atteinte.
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éventuellement augmenter la valeur de consigne ϑS à l'aide du potentiomètre à fente tournevis (par ex. de 5 °C)
puis attendre quelques minutes jusqu'à l'établissement du nouvel équilibre thermique.
2) Optimisation de U1
Une tension d'aspiration U1 plus élevée se traduit par un plus grand courant d'émission des électrons.
Si la courbe de Franck-Hertz monte en pente trop raide, donc si déjà en dessous de U2 = 30 V la puissance limite
admissible de l'amplificateur de mesure du courant est atteinte et que la courbe de Franck-Hertz est coupée en haut
(b) :
réduire U1 jusqu'à ce que la pente de la courbe corresponde à (d).
Si la courbe de Franck-Hertz est trop aplatie et donc que le courant du collecteur IA reste partout inférieur à 5 nA (c) :
augmenter U1 jusqu'à ce que la pente de la courbe corresponde à (d).
Si la courbe de Franck-Hertz reste trop aplatie malgré l'augmentation de U1 :
réduire la valeur de consigne ϑS pour la température du four à l'aide du potentiomètre à fente tournevis.
3) Optimisation de U3
Plus la tension inverse U3 est élevée, plus les maxima et minima de la courbe de Franck-Hertz sont prononcés, le
courant du collecteur étant, dans l'ensemble, simultanément réduit.
Si les maxima et minima de la courbe Franck-Hertz ne sont pas très prononcés (d) :
augmenter tour à tour d'abord la tension inverse U3 puis la tension d'aspiration U1 jusqu'à obtention de la forme
de courbe représentée en (f).
Si les minima de la courbe de Franck-Hertz sont « coupés » à la base (e) :
réduire tour à tour d'abord la tension inverse U3 puis la tension d'aspiration U1 jusqu'à obtention de la forme de
courbe représentée en (f).
Le tube de Franck-Hertz au mercure de l'exemple d'expérience a été utilisé avec les paramètres U 1 = 2,58 V, U3 =
1,95 V et ϑS = 180 °C.
Exploitation
On prélève l'écartement de maxima qui se succèdent de la courbe tracée en traçant des lignes verticales ou des
valeurs principales des pics. Dans le présent exemple d'expérience, on a en moyenne la valeur U2 = 5,07 V, ce qui
correspond à un transfert d'énergie ΔE = 5,07 eV.
La valeur littéraire pour l'énergie de transition des atomes de mercure de l'état fondamental 1S0 au premier état 3P1
est EHg = 4,9 eV.
La position du premier maximum est déterminée par le potentiel de contact des matériaux des électrodes utilisés et
la tension d'aspiration U1. Le plus grand écartement des maxima du premier ordre est dû à la superposition de la
courbe de Franck-Hertz avec la caractéristique du tube.
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