Fanck-Hertz-Versuch – Wikipedia Wikipedia

Quand Tentative de Franck-Hertz Si l’avant-dernier lien d’une série d’expériences de trois ans, avec laquelle James Franck et Gustav Hertz ont examiné la quantité d’énergie transférée d’un électron à un atome. Les résultats ont été publiés en 1914 et, bien que les deux expérimentateurs représentent initialement une interprétation différente, la première preuve directe de niveaux d’énergie discrètes dans les atomes, comme ils ont été théoriquement contestés en 1913 par Niels Bohr dans le postulat de Bohrsche. L’expérience a soutenu le modèle atomique bohrien, qui a contribué de manière significative au développement de la physique quantique jusqu’à le développement de la mécanique quantique en 1925. Franck et Hertz ont reçu le prix Nobel de physique pour cette expérience en 1925.

L’expérience mesure la quantité d’énergie reste les électrons après avoir traversé un gaz des atomes de mercure dans lesquels ils sont accélérés par un champ électrique. Les mesures montrent que les électrons ne sont élastiques qu’avec les atomes après une tension d’accélération inférieure à 4,9 V et ne transmet pratiquement aucune énergie. Au-dessus de ce seuil, donnez l’atome de l’énergie push 4,9 eV. Dans la dernière tentative de leur série de tests, Wiesen Franck et Hertz se réfèrent ensuite au fait que les atomes qui avaient absorbé cette énergie envoient la lumière dont les photons ont l’énergie 4.9 eV. Cela confirme également le deuxième postulat de forage dans l’expérience. Les tentatives montrent que la consommation d’énergie et la livraison dans les atomes n’ont lieu que sous forme de packages d’énergie discrets (quantum).

La tentative de Franck Hertz est l’une des preuves les plus impressionnantes de la physique quantique et est relativement facile à construire en même temps. Il s’agit donc d’une démonstration populaire et d’une tentative de stage dans la formation en physique.

Au début du 20e siècle, les examens spectroscopiques (par exemple dans les gaz, les lignes d’émission et d’absorption, en particulier les lignes de Fraunhofer bien connues et le phénomène de la fluorescence de résonance) et dans les surfaces métalliques par l’effet photo, étaient connues pour être le quantium de lumière dans certains ensembles d’énergie.

En 1913, Niels Bohr avait développé le modèle nucléaire nommé d’après l’idée que les conditions étaient également disponibles dans l’atome à certaines énergies, les niveaux d’énergie. Avec une hypothèse supplémentaire des conditions qu’un électron peut prendre dans l’atome, le spectre de ligne à long terme de l’hydrogène pourrait être expliqué. Les atomes donnent donc de l’énergie ou de les absorber en changeant ou en absorbant ou en absorbant un quantum léger dans l’une des conditions possibles et, selon la physique quantique, la différence d’énergie des deux conditions est donnée. En raison de la condition de fréquence de forage, qui correspond à la formule pour la lumière Light installée par Albert Einstein en 1905, la longueur d’onde du quantum lumineux par le changement d’énergie est effectuée

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de l’atome:

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Dans elle

En ne tirant pas l’énergie d’une quantité légère, mais par un choc d’électrons non épu, la tentative de Franck Hertz a confirmé le niveau d’énergie discret de l’atome.

Cependant, Franck et Hertz n’avaient pas effectué leurs tentatives pour vérifier le modèle de Bohrsche Atom, car ils n’étaient connues que fugitivement à l’époque. Avec leur équipement, ils voulaient mesurer les gaz enroulés avec leur appareil car, selon un enseignement généralisé, l’ionisation est la seule forme dans laquelle les atomes peuvent prendre de l’énergie (en dehors de l’énergie cinétique de l’ensemble de l’atome), et parce que la théorie des décharges électriques de J.S. Envoyer aux gaz à un anthomisé. ^[d’abord] À la suite de la recombinaison du mercure avec un électron, ils ont vu l’origine de la lumière légère, dont l’énergie correspondait à la perte d’énergie des électrons de poussée, car l’énergie d’ionisation est relâchée. Il s’agissait également de l’interprétation généralement acceptée jusqu’à ce que les postulats de Bohrschen soient présentés. Franck et Hertz ont confirmé que 4,9 eV était l’énergie d’ionisation, également en 1916, après que le modèle de l’atome bohrian avait largement prévalu et que son expérience a été généralement considérée comme une confirmation directe des postulats de forage. La preuve expérimentale convaincante que le mercure n’est pas ionisé à une consommation énergétique de 4,9 eV, mais uniquement à 11,4 eV, n’a été effectué qu’en 1917 par Davis et Geaucher ^[2] , et ce n’est qu’alors que Franck et Hertz ont accepté l’interprétation (comme le montre l’introduction), qui s’était finalement avéré être le bon.

Arrangement expérimental [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Il y a un gaz dans un ballon en verre (principalement de la vapeur de mercure, mais aussi le néon est courant) à basse pression, généralement dans la plage de 10 à 20 mbar. À une extrémité, il y a une cathode brillante K que à travers la source d’alimentation DANS _H est chauffé. La grille g La tension positive contrôlable se situe à une distance CM DANS _b (Dans la zone de certains v) sur un potentiel positif pour la cathode. L’électrode captive UN , sur lequel l’électricité est mesurée, est situé directement derrière la calandre et est sur un potentiel légèrement négatif par rapport à celui-ci DANS _g d’environ 1 V.

Le but de cet arrangement est les électrons entre K et g Pour accélérer et les laisser entrer en collision avec les atomes de mercure. Le contre-champ faible entre g et UN Excluez ensuite tous les électrons de la mesure de l’électricité, qui, quand il arrive g n’ont pas une certaine énergie minimale (méthode de contrefaçon).

Les électrons émis par la cathode sont accélérés et atteignent leur vitesse la plus élevée directement devant la calandre. Les électrons qui atterrissent sur le réseau sont à travers la source d’alimentation u _b Transféré à la cathode. Les autres passent la calandre et sont du champ électrique faible entre la calandre et les élections supérieures UN Freiné. Les électrons de faible énergie ne peuvent pas surmonter le contre-champ et finalement se retrouver sur la grille. Seuls les électrons avec une énergie suffisante se rencontrent UN Et sont mesurés sur le chemin du retour à l’aide d’un ampérémètre sensible.

Mise en œuvre et observation [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Si vous augmentez de DANS _b = 0 Démarrage de la tension d’accélération sur la valeur de DANS _g , commencez à développer les valeurs d’électricité mesurées (zone (1) sur la figure). À partir d’une certaine valeur de tension (2) dépend du remplissage de gaz), atteint une valeur minimale puis augmente à nouveau (3). Par exemple, avec la double valeur de la tension, dans laquelle l’électricité coule pour la première fois, il tombe à nouveau (4) puis remonte à nouveau. Ceci est répété à plusieurs reprises périodiquement, le courant augmente à une valeur plus élevée à chaque fois. (Contrairement à de nombreuses représentations simplifiées, les distances entre les maxima ou les minima ne sont pas entièrement constantes (voir ci-dessous). ^[3]

Lorsque vous essayez avec le néon, lorsque vous atteignez le premier minimum, vous pouvez voir une couche brillante devant la grille, qui se déplace vers la cathode avec une tension supplémentaire. Une autre couche brillante est créée pour chaque nouveau minimum. Cela ne peut pas être observé avec le mercure car le rayonnement résultant est dans la zone UV.

L’ensemble du courant à travers le tube, c’est-à-dire le courant de cathode ou la somme de la grille et du courant de receveur, ne montre pas de tels changements périodiques, mais augmente proportionnellement à l’augmentation de la tension DANS _b ^3/2 sur (équation Schottky), comme dans une diode de tube. Contrairement aux tubes à vide, le courant ne sature pas à haute tension, mais augmente soudainement à partir d’une certaine tension d’allumage (avec du mercure ici environ 40 V) en raison du début de la décharge de gaz. Afin d’éviter la destruction du tube, l’électricité est donc limitée dans une résistance appropriée en série avec la cathode dans la structure de test.

Avec de faibles tensions, l’électricité augmente avec la tension car le champ d’accélération devient plus fort et (comme dans chaque tube à vide), plus d’électrons de la zone de charge de la pièce peuvent aspirer la cathode. Le gaspillage drastique du courant, lorsque la tension dépasse un seuil, montre que de nombreux électrons ont perdu de l’énergie sur le chemin du gaz, afin qu’ils ne puissent plus passer à travers la contrefaçon. Cela s’explique par le fait que les électrons, dès qu’ils ont une certaine énergie cinétique (avec du mercure environ 4,9 eV, correspond à la transition de

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-Vel), en ce qui concerne la poussée avec un atome, peut remettre ces énergies, c’est-à-dire tomber non élastique. Avec une énergie plus faible, l’atome (dans son ensemble) ne peut faire des bosses élastiques qu’avec l’électron, dans lequel pratiquement aucune énergie n’est transmise en raison de la grande différence de masse. Dans le cas d’un choc non épu, l’atome est stimulé, c’est-à-dire c’est-à-dire que l’énergie transmise n’apparaît pas comme son énergie de mise au point. Dans le modèle atomique de forage, l’énergie est transférée sur un électron à manche unique en le soulevant à un niveau d’énergie plus élevé. Étant donné que cette condition est instable, l’électron tombe peu de temps après sous l’émission d’un quantum léger (taille

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) Retour à l’état précédent.

Si l’électron a un peu plus de 4,9 EV d’énergie cinétique avant le choc inélastique, il n’aura plus suffisamment d’énergie pour surmonter le contre-champ de freinage. Au minimum, cependant, l’électricité mesurée ne tombe pas à zéro, car seule une partie des électrons s’effondre avec les atomes. Il y a toujours des électrons qui (peu de temps avant la calandre) atteignent l’énergie nécessaire, mais en raison du court chemin vers la calandre ne trouve plus de partenaire de choc. De plus, le rayonnement UV émis par les atomes excités peut libérer des électrons à divers points du tube par effet photo, qui sont attirés par l’électrode d’enregistrement et contribuent à l’électricité mesurée. Dans leur interprétation originale, cependant, Franck et Hertz ont supposé à tort qu’à 4,9 eV, l’atome de mercure était ionisé et que cette valeur minimale du courant est basée sur les ions (positifs) qui randonnent maintenant à la cathode. La présentation des conditions animées dans les atomes neutres introduits par Bohr leur était encore étrangère.

Lorsque la tension d’accélération augmente davantage, la zone, où les électrons ont gagné l’énergie cinétique nécessaire pour la première fois, se déplacent étroitement vers la cathode. Par conséquent, les électrons sont à nouveau accélérés un peu après leur perte d’énergie, de sorte que le nombre d’électrons qui surmontent la tension de freinage augmente à nouveau (3). Cela s’applique jusqu’à ce que la tension d’accélération soit si grande que les électrons peuvent absorber 4,9 eV après le premier choc non élastique et perfonce inélastique une deuxième fois (4). Ensuite, il y a deux zones d’atomes de mercure suggérés, à mi-chemin de la calandre et un devant lui.

La lumière émise par les atomes de mercure (l’énergie quantique 4,9 eV) avec une longueur d’onde d’environ 253 nm est dans la zone ultraviolette et donc non visible. Cependant, il existe d’autres niveaux à 8 eV, qui, après la suggestion, passent initialement dans le niveau de 4,9 eV et remettent une quantité verte visible. Les zones brillantes séparées peuvent être observées avec une garniture au néon si la tension d’accélération est suffisante plusieurs fois pour élever un électron du niveau 2p entièrement occupé à l’un des niveaux 3P supérieurs entre 18,4 eV et 19,0 eV. Parce que le ne-atome, qui est vivant de cette manière, perd initialement son énergie de suggestion dans une petite étape vers le niveau 3S, ce qui amène environ 2,5 eV plus profondément, c’est pourquoi une lumière visible jaune orange est créée.

Une interprétation plus précise de l’expérience, qui n’a été publiée qu’à la fin du 20e siècle, prend en compte les effets des charges de la pièce et plus le fait que les électrons ne forment pas un faisceau dirigé, mais sont déviés dans toutes les directions (également à l’arrière) en raison des nombreuses bosses élastiques. Pour une explication complète, différents niveaux avec leurs différentes suggestions d’excitation doivent également être pris en compte. Par exemple, cela signifie que ni néon ni mercure n’est observé le niveau d’excitation le plus bas, mais plus élevé. ^{[4] [5]}

Résolution améliorée avec la “loupe” électrique ” [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Dans le circuit simple du chapitre précédent, l’accélération et la voie de réaction des électrons s’effondrent. En introduisant une deuxième réseau, il est possible de séparer les deux zones et de démontrer également des niveaux d’énergie plus élevés avec une résolution énergétique plus élevée.

Pour ce faire, vous choisissez la distance entre la cathode et la grille 1 très petite, afin que les électrons puissent à peine effectuer des bosses non élastiques avec des atomes de gaz pendant _G1 (environ 10 V) Presque accéléré à l’énergie nécessaire aux niveaux plus élevés. Entre les grilles 1 et la grille 2, elles sont accélérées à une distance beaucoup plus grande par une tension ΔU significativement inférieure (la taille de 0,1 V), ce qui n’augmente progressivement leur vitesse. Comme dans l’appareil d’origine (ci-dessus), les bosses non élastiques des électrons sont démontrées par le fait qu’ils ne peuvent pas surmonter la contre-tension suivante entre la grille 2 et la plaque A. L’onde d’énergie pour un choc inélastique peut donc être observée beaucoup plus précisément.

Autres garnitures de gaz [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Afin d’éviter l’utilisation du mercure toxique et pour des raisons didactiques, l’expérience est réalisée en particulier dans les stages scolaires avec le néon à gaz. Ici, les énergies de suggestion sont plus élevées, elles se situent entre 18,4 eV et 19,0 eV – les émissions de lumière de cette énergie ne seraient pas dans la zone visible. Cependant, l’excavation des atomes de néon excités se produit également via des états intermédiaires avec des énergies entre 16,6 eV et 16,9 eV. Par conséquent, des photons sont également créés dans le secteur de l’énergie de 2 eV, ce qui conduit à une émission de lumière orange rouge. ^[6] Si la tension correspond à un multiple de la tension d’excitation, un nombre correspondant de zones couchées situées les unes à côté des autres est visible dans le tube.

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  Tentative de Franck-Hertz avec néon: trois couches de lumière entre les barres

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  Tentative de Franck-Hertz avec néon: oscillogramme du flux de courant vers la mangeoire

1. ↑ J. Franck et G. Hertz: Sur les affrontements entre les électrons et les molécules de la vapeur de mercure et la tension d’ionisation . Dans: Hung dtsch. Phys. Ges. Groupe 16 , 1914, S. 457–467 , est ce que je: 10.1002 / phbl.19670230702 . (Extraits en ligne Sur Leifi-Physics)
2. ↑ Bergen Davis et F. S. Geaucher: Ionisation et excitation du rayonnement par impact électronique dans la vapeur de mercure et l’hydrogène , Dans: Phys. Rév. Bd. 10 (1917), S. 101–115
3. ↑ G. Kidney, K. Sengstock, V. Baev; Nouvelles fonctionnalités de l’expérience Franck-Hertz . Dans: Amer. J. Phys. Non. 74 , 2006, S. 423–428 , est ce que je: 10.1119 / 1,2174033 ( Uni-Jena.de [PDF; consulté le 30 octobre 2020]).
4. ↑ R. E. Robson, B. Li und R.D. White: Structures spatialement périodiques des essaims d’électrons et de l’expérience Franck-Hertz . Dans: J. Phys. Chauve souris. Mol. Opter. Chèque . Non. 33 , 2000, S. 507 , est ce que je: 10.1088 / 0953-4075/33/3/118 .
5. ↑ CONCERNANT. Robson, M. Hildebrandt et R.D. Blanc: Une pierre de base de la physique atomique . Dans: Journal physique . Non. 3 , 2014, S. 43 ( Pro-physik.de [PDF; consulté le 30 octobre 2020]).
6. ↑ Tentative de Frank-Hertz. (PDF; 171 kb) Institut physique Tübingen, Récupéré le 30 octobre 2020 (Schéma à terme du néon la fig.