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“MPSI-fin” — 2013/7/22 — 9:45 — page 80 — #88
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CHAPITRE 2 – CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS
Observations expérimentales
Expérience de FRANCK et HERTZ
Cette expérience, dont les résultats ont été présentés en 1924, a été une expérience décisive
pour montrer la quantification de l’énergie électronique dans l’atome. Elle consiste à bombarder de la vapeur de mercure par des électrons accélérés sous une différence de potentiel
pouvant atteindre quelques dizaines de volts. D’un point de vue pratique un filament chauffé
(jouant le rôle de cathode) émet des électrons qui sont accélérés par une anode (grille) portée
à un potentiel très positif. L’expérience a pour objet de mesurer le courant i arrivant sur la
grille en fonction de la tension accélératrice U appliquée entre le filament et la grille. Le
résultat expérimental est le suivant : tant que la tension U est inférieure à 4,9 V, le courant
i croît régulièrement en fonction de la tension U. À 4,9 V, ce courant décroît, puis lorsque
la tension U augmente encore, le courant i passe par un minimum et augmente à nouveau
jusqu’à un nouveau maximum séparé du premier de 4,9 V. Lorsque la tension U augmente
jusqu’à 20 V la situation se répète.
L’expérience est interprétée de la façon suivante : tant que l’énergie des électrons est inférieure à 4,9 eV (qui correspond à l’énergie cinétique des électrons accélérés sous une tension
égale à 4,9 V), les collisions des électrons avec les atomes de mercure sont élastiques : les
électrons perdent peu d’énergie. Lorsque l’énergie des électrons atteint 4,9 eV, ils peuvent
exciter les électrons des atomes de mercure de leur état de plus faible énergie vers un nouvel
état d’énergie situé à 4,9 eV. L’électron entré en collision avec les atomes de mercure perd
alors beaucoup d’énergie (choc inélastique) et ne peut plus atteindre la grille collectrice. Si
l’énergie de l’électron est supérieure à 2 × 4, 9 eV, il peut subir deux collisions successives,
ceci expliquant l’existence d’un second maximum.
Spectre d’émission des atomes, cas de l’atome d’hydrogène
L’observation du spectre d’émission de l’atome d’hydrogène est aussi une manifestation importante de la propriété de quantification de l’énergie électronique. Nous appelons spectre
d’émission de l’atome d’hydrogène l’ensemble des ondes électromagnétiques pouvant être
émises par un atome d’hydrogène excité (ayant reçu un excédent d’énergie). Celui-ci est obtenu expérimentalement dans un tube à décharge contenant du dihydrogène et muni de deux
électrodes métalliques (voir figure 2.7).
-
+
H 2
gazeux
arc électrique
fente
système dispersif (réseau)
détecteur (plaque
photographique)
FIGURE 2.7 – Dispositif permettant l’observation du spectre d’émission de l’atome H
80
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Observations expérimentales
Expérience de FRANCK et HERTZ
Cette expérience, dont les résultats ont été présentés en 1924, a été une expérience décisive
pour montrer la quantification de l’énergie électronique dans l’atome. Elle consiste à bombarder de la vapeur de mercure par des électrons accélérés sous une différence de potentiel
pouvant atteindre quelques dizaines de volts. D’un point de vue pratique un filament chauffé
(jouant le rôle de cathode) émet des électrons qui sont accélérés par une anode (grille) portée
à un potentiel très positif. L’expérience a pour objet de mesurer le courant i arrivant sur la
grille en fonction de la tension accélératrice U appliquée entre le filament et la grille. Le
résultat expérimental est le suivant : tant que la tension U est inférieure à 4,9 V, le courant
i croît régulièrement en fonction de la tension U. À 4,9 V, ce courant décroît, puis lorsque
la tension U augmente encore, le courant i passe par un minimum et augmente à nouveau
jusqu’à un nouveau maximum séparé du premier de 4,9 V. Lorsque la tension U augmente
jusqu’à 20 V la situation se répète.
L’expérience est interprétée de la façon suivante : tant que l’énergie des électrons est inférieure à 4,9 eV (qui correspond à l’énergie cinétique des électrons accélérés sous une tension
égale à 4,9 V), les collisions des électrons avec les atomes de mercure sont élastiques : les
électrons perdent peu d’énergie. Lorsque l’énergie des électrons atteint 4,9 eV, ils peuvent
exciter les électrons des atomes de mercure de leur état de plus faible énergie vers un nouvel
état d’énergie situé à 4,9 eV. L’électron entré en collision avec les atomes de mercure perd
alors beaucoup d’énergie (choc inélastique) et ne peut plus atteindre la grille collectrice. Si
l’énergie de l’électron est supérieure à 2 × 4, 9 eV, il peut subir deux collisions successives,
ceci expliquant l’existence d’un second maximum.
Spectre d’émission des atomes, cas de l’atome d’hydrogène
L’observation du spectre d’émission de l’atome d’hydrogène est aussi une manifestation importante de la propriété de quantification de l’énergie électronique. Nous appelons spectre
d’émission de l’atome d’hydrogène l’ensemble des ondes électromagnétiques pouvant être
émises par un atome d’hydrogène excité (ayant reçu un excédent d’énergie). Celui-ci est obtenu expérimentalement dans un tube à décharge contenant du dihydrogène et muni de deux
électrodes métalliques (voir figure 2.7).
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H 2
gazeux
arc électrique
fente
système dispersif (réseau)
détecteur (plaque
photographique)
FIGURE 2.7 – Dispositif permettant l’observation du spectre d’émission de l’atome H
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