«L Expérience de Franck et Hertz : Un regard sur l infiniment petit»

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1 «L Expérience de Franck et Hertz : Un regard sur l infiniment petit» Pr Smain BALASKA Laboratoire de Physique Théorique d Oran Département de Physique, Faculté des Sciences Exactes & Appliquées, Université d Oran. Université d'ain-témouchent, 29/04/2014 1

2 James Franck Gustav Hertz Prix Nobel de Physique 1925 Université d'ain-témouchent, 29/04/2014 2

3 Plan de la Présentation L infiniment petit : un Monde Quantique Présentation de L expérience : Principe de fonctionnement Le dispositif expérimental Les mesures, et l interprétation des Résultats Conclusion Université d'ain-témouchent, 29/04/2014 3

4 L infiniment Petit : Un monde Quantique 1 La définition de l infiniment petit a changé au cours de l histoire :, cellules, molécules, atomes, électrons,, particules élémentaires, Le Pré-Quantique: pour tout expliquer o Les lois de Kepler (1609), les lois de Newton (1687), (pour le mouvement des planètes et des corps) o La thermodynamique (étude des grands systèmes en équilibre, science des machines thermiques et de la chaleur) o Les équations de Maxwell (1864) pour les phénomènes Electromagnétiques Université d'ain-témouchent, 29/04/2014 4

5 L infiniment Petit : Un monde Quantique 2 Des Incohérences: 1. Pas d explication sur l origine de la spectroscopie 2. L effet photoélectrique (Becquerel 1830, H.Hertz 1887) : émission d électrons par un métal éclairé par une lumière de fréquenceν. Existence d une fréquence seuil ν0 Énergie des électrons augmente proportionnellement à (ν-ν0) et elle est indépendante du flux lumineux Université d'ain-témouchent, 29/04/2014 5

6 L infiniment Petit : Un monde Quantique 3 3. Rayonnement du «corps Noir» et la loi de déplacement des longueurs d onde en fonction de la Température (Spectre obtenu expérimentalement en 1890) Tentatives d explication par: Kirchhoff, Stefan- Boltzman (ρ=at 4 ), Wien (λt=cste), Rayleigh- Jeans (densité d énergie en fonction des fréquences)... catastrophe de l Ultraviolet (densité d énergie infinie pour les petites longueurs d onde) Université d'ain-témouchent, 29/04/2014 6

7 Université d'ain-témouchent, 29/04/2014 7

8 L infiniment Petit : Un monde Quantique 4 Naissance de la Mécanique Quantique: l Hypothèse de Planck (Déc. 1900) : Les énergies permises pour un oscillateur chargé sont des multiples entiers de sa fréquence d Oscillation E=n(hv) = n(quantum d énergie) h=cste de Planck= Js Conséquences : Interprétation Corpusculaire de la Lumière (Einstein 1905). Le photon (pour une lumière de fréquence v )= particule d énergie hv et d impulsion h/λ). Explication de l effet photoélectrique. Modèle de N.Bohr (1913) pour les atomes (basé sur celui de Rutherford (1911) et sur le principe de combinaison des raies de Ritz) Preuve expérimentale par Franck et Hertz (1914) de la quantification des énergies Interprétation Ondulatoire de la matière λ=h/p (De Broglie 1923), Schrödinger, Heisenberg, Born, Dirac, Pauli, Hilbert, Physiciens et Mathématiciens ont développés La théorie de la mécanique Quantique Université d'ain-témouchent, 29/04/2014 8

9 Présentation de l Expérience Principe de fonctionnement : Bombarder un gaz d atomes par des électrons accélérés Étudier les énergies échangées entre les électrons et les atomes suite à leur collision en observant les variations du courant électronique après collision 1914 : J. Franck et G. Hertz ont fait l expérience avec la vapeur de Mercure Ordre de Grandeurs : mhg me Classiquement une telle collision devrait être élastique Université d'ain-témouchent, 29/04/2014 9

10 Le Dispositif expérimental Le tube de Franck & Hertz au Néon (lieu de la collision des électrons avec les atomes ) Les électrons produits en K sont accélérés par U 1, et entrent en collision avec les atomes de Ne ou de Hg Après collision, ils sont freinés par U 2 et n arrivent au collecteur que s ils ont une énergie suffisante Université d'ain-témouchent, 29/04/

11 Université d'ain-témouchent, 29/04/

12 Les Mesures et l Interprétation des Résultats Université d'ain-témouchent, 29/04/

13 Constat : Existence d une énergie seuil avant laquelle les chocs sont élastiques et après quoi ils deviennent inélastiques On observe : Pour Hg, émission d un rayonnement Ultraviolet λ=253,7 nm E=hν=4.9 ev=énergie du premier état excité de Hg Interprétation: Durant leurs parcours, les électrons émis par la cathode (K) traversent le gaz d atomes et subissent deux types de collisions : Université d'ain-témouchent, 29/04/

14 collisions élastiques Etat excité - Atome ΔE fondamental Si l électron rentrant en collision avec l atome en ayant une énergie cinétique telle que l atome reste dans son état fondamental Université d'ain-témouchent, 29/04/

15 collisions inélastiques : (débutent quand le courant atteint le maximum) l électron aura «assez» d énergie cinétique pour exciter l atome et provoque des transitions. l écart moyen entre les sommets : ΔU 1 =16.8 V ΔE=16.8 ev Pour l Atome de Néon Fondamental un des 4 états 3s ΔE=16.6 à 16.9 ev Fondamental un des 10 états 3p ΔE=18.4 à 19 ev Université d'ain-témouchent, 29/04/

16 Conclusion : confirmation des idées de N.Bohr (1913): Energie d un atome prend des valeurs discrètes et les raies de la spectroscopie correspondent aux transitions entre ces niveaux. l excitation électronique d un atome ne se produit que par sauts d énergie parfaitement quantifiés. Première preuve expérimentale de la quantification de l énergie dans les atomes Université d'ain-témouchent, 29/04/

17 Merci de votre attention Université d'ain-témouchent, 29/04/

18 Ce qu on veut vérifier et mesurer? Se convaincre que Faire le tracé : Courant électronique en fonction de la tension accélératrice. Augmenter graduellement la tension d accélération U 1 exercée entre les deux grille (G1) et (G2) de 0 v à 63 v pour des tensions U2 et U3 fixent et mesurer l intensité du courant collecté Détermination de l énergie d excitation des atomes de Néon. Université d'ain-témouchent, 29/04/

19 L alimentation : pour fournir : La tension requise pour le chauffage de la cathode, la tension U 1 accélératrice des électrons la tension inverse U 2 Et qui dispose d un Nano ampèremètre pour la mesure du courant d électron I a Elle fonctionne En mode manuel (réglage et lecture directe des valeurs) Avec un oscilloscope à deux sorties pour une vue d ensemble rapide de la variation de I A en fonction de U 1. En mode PC. Université d'ain-témouchent, 29/04/

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