Savez-vous ce que expérience hertz? Il s'agit d'une étude réalisée pour la première fois en 1914 par les scientifiques James Franck et Gustav Ludwig Hertz, dont le but était d'établir la quantification des niveaux d'énergie des électrons présents dans les atomes.
Expérience de Franck et Hertz
L'expérience de Hertz a pu confirmer le modèle quantique de l'atome de Bohr, prouvant que les atomes n'étaient capables que d'absorber des quantités spécifiques d'énergie appelées quanta. Pour cette raison, c'est l'une des expériences essentielles de la physique quantique. Pour ces recherches, Franck et Hertz ont reçu le prix Nobel de physique en 1925.
Histoire, Qui était Hertz ?
En 1913, Niels Bohr a préconisé l'existence d'un nouveau modèle de l'atome, appelé plus tard le Modèle atomique de Bohr, et a proposé l'existence d'orbites d'électrons, qui avaient pour modèle la Modèle atomique de Rutherford, un peu comme un système planétaire. Avec son modèle, il a proposé quatre postulats, dont l'un était lié à la quantification des orbites des électrons.
Ainsi, les premières expériences visaient à pouvoir vérifier cette quantification. Dans les premières expériences, on utilisait la lumière, puisqu'à cette époque on savait que la lumière était constituée de quanta d'énergie. Pour cette raison, on reproche à Bohr le fait que les résultats de la quantification des orbites, et donc, de la quantification des états d'énergie des électrons de l'atome, n'aient leur origine que dans la quantification de la lumière.
En 1914, Franck et Hertz, qui travaillaient sur les énergies d'ionisation des atomes, mettent au point une expérience utilisant les niveaux d'énergie de l'atome de mercure. Son test n'a utilisé que des électrons et des atomes de mercure, sans utiliser de lumière. Bohr obtint ainsi la démonstration irréfutable de son modèle atomique.
L'expérience de Hertz dans la pratique
Dans un premier temps, afin de démontrer la quantification des niveaux d'énergie, ils ont utilisé une triode, composée d'une cathode, d'une grille polarisée et d'une anode, qui est capable de créer un faisceau d'électrons à l'intérieur d'un tube à vide contenant du mercure à l'état gazeux. .
Ils ont ensuite procédé à la mesure de la modification du courant reçu par l'anode en fonction de l'énergie cinétique possédée par les électrons, et ont ainsi pu en déduire la perte d'énergie des électrons au moment où les collisions se sont produites.
Matières
Le groupe triode était contenu dans une capsule de verre contenant du mercure. Il est possible de réaliser cette expérience à différentes températures et il est important de pouvoir comparer ces résultats avec une mesure à température ambiante, dans laquelle le mercure sera à l'état liquide.
Lorsque le mercure est chauffé à une température de 630 K, il devient un gaz. Mais pour éviter d'avoir à atteindre cette température, il est possible de travailler avec une pression réduite à l'intérieur de la capsule et de la chauffer à une température comprise entre 100 et 200 °C.
Pour que les électrons soient extraits et que vous atteigniez une vitesse pertinente, il faut utiliser une tension qui se situera entre la cathode et la grille, qui sera une tension d'accélération, produisant ondes de radio. De la même manière, il peut être intéressant de placer une tension en sens inverse, entre l'anode et la grille, afin de ralentir les électrons.
Les résultats de l'expérience Hertz
Comme expliqué dans Biographie de Hertz, le résultat de cette expérience est qu'il sera possible de représenter l'évolution de la différence de potentiel qui résultera d'un convertisseur courant-tension placé en sortie d'anode, en fonction de la différence de potentiel d'extraction d'électrons du cathode.
Pour obtenir de faibles différences de potentiel, jusqu'à 4,9 V, le courant traversant le tube augmente régulièrement avec l'augmentation de la différence de potentiel. Avec la tension plus élevée, le champ électrique dans le tube augmente et les électrons seront attirés avec plus de force vers la grille d'accélération. Dans ce cas, on observe qu'à 4,9 volts, le courant chute brusquement, revenant presque à zéro.
Le courant augmentera régulièrement si la tension continue d'augmenter, jusqu'à ce que 9.8 volts soient atteints, soit exactement le double du premier volume de courant utilisé, et nous pouvons voir qu'une chute soudaine similaire se produit à 9.8 volts. Cette série de chutes de courant pour des incréments d'environ 4.9 volts se maintiendra de manière observable jusqu'à des potentiels d'au moins environ 100 volts.
Interprétation des résultats de l'expérience Hertz
Franck et Hertz ont pu expliquer leurs expériences dans des conditions de collision élastique et de collision inélastique d'électrons. Aux faibles potentiels, les électrons accélérés n'acquièrent qu'une quantité modérée d'énergie cinétique. Lorsqu'ils ont affronté les atomes de mercure dans le tube de verre, ils n'ont fait que des collisions élastiques.
Cela a sa raison d'être dans la prédiction de la mécanique quantique qui a indiqué qu'un atome n'est pas capable d'absorber de l'énergie jusqu'à ce que l'énergie de la collision dépasse la valeur requise pour exciter un électron qui est lié audit atome à une couche d'énergie plus élevée.
Pour les collisions élastiques uniquement, la quantité absolue d'énergie cinétique dans le système reste la même. Parce que les électrons ont une masse environ mille fois plus légère que les atomes moins massifs, cela signifie que la plupart des électrons ont conservé leur énergie cinétique, devenant ondes hertziennes. Des potentiels plus élevés ont entraîné la conduite de plus d'électrons de la grille vers l'anode et ont également réussi à augmenter le courant observé, jusqu'à ce que le potentiel d'accélération atteigne 4.9 volts.
L'énergie d'excitation électronique la plus faible qu'un atome de mercure puisse avoir nécessite 4,9 électron-volts (eV). Dans le cas où la puissance d'accélération atteignait 4.9 volts, chaque électron libre absorbait exactement 4.9 eV d'énergie cinétique, au-dessus de son énergie de repos à cette température, au moment où il atteignait la grille.
Pour cette raison, une collision entre un atome de mercure et un électron libre peut être inélastique à ce moment-là, c'est-à-dire que l'énergie cinétique d'un électron libre peut être transformée en énergie potentielle en excitant le niveau d'énergie d'un électron qui a un atome de mercure. . Lorsque toute son énergie cinétique est perdue, l'électron libre est incapable de surmonter la légère puissance négative à l'électrode de masse et le courant électrique chute précipitamment.
Lorsque la tension est augmentée, les électrons forment une collision inélastique, perdent leur potentiel cinétique de 4.9 eV, mais restent ensuite dans un état accéléré. De cette manière, le courant mesuré augmente à nouveau lorsque le potentiel d'accélération est augmenté, à partir de 4.9 V. Lorsque 9.8 V sont atteints, la situation change à nouveau.
A ce moment, chaque électron a l'énergie nécessaire pour faire partie de deux collisions inélastiques, qui parviennent à exciter deux atomes de mercure, puis à perdre toute leur énergie cinétique. C'est ce qui explique les baisses de courant observées. Dans les intervalles de 4.9 volts, cette procédure se répétera, car les électrons vont subir une nouvelle collision inélastique.
