Physique atomique et nucléaire
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1. Information suppl mentaire Les raies spectrales du n on qui sont mises s observent tr s facilement par ex avec le spectroscope scolaire 467 112 si on r gle la tension d acc l ration U gt sur sa valeur maximale by Leybold Didactic GmbH LEYBOLD DIDACTIC GMBH Leyboldstrasse 1 D 50354 H rth Phone 02233 604 0 Telefax 02233 604 222 Telex 17 223 332 LHPCGN D Printed in the Federal Republic of Germany Technical alterations reserved2. ra N 1105 Sel d LEYBOLD Physique atomique et nucl aire Cort ge lectronique Exp rience de Franck Hertz Objectifs exp rimentaux M Trac d une courbe de Franck Hertz pour le n on hf 3S 2S LEYBOLD Fiches d exp riences de physique Exp rience de Franck Hertz avec le n on Trac avec l oscilloscope avec l enregistreur XY ou point par point Mesure de la lib ration d nergie discontinue d lectrons libres en cas de choc in lastique Interpr tation du r sultat de mesure sous forme d absorption d nergie discr te d atomes de n on Observation des raies spectrales du Ne suite l excitation par choc lectronique d atomes de n on Identification du ph nom ne de luminescence sous forme de couches haute probabilit d excitation Principes de base C est ames Franck et Gustav Hertz qui ont d couvert en 1914 l mission de la raie ultraviolette 254 nm du mercure en corr lation avec leur tude consacr e la perte d nergie progressive au passage d lectrons dans de la vapeur de mercure Comme l observation directe de l mission de lu mi re n est pas possible la mise en vidence exige le recours l exp rimentation Les circonstances sont compl tement diff rentes pour le gaz rare n on L excitation suscit e par le choc lectronique in lastique partir de l tat fondamental a lieu avec la plus grande p
3. acc l ration opti males pour deux ou trois zones luminescentes et tablir un protocole des valeurs Exemple de mesure et exploitation a Courbe de Franck Hertz Ui 2 06V U3 7 94 V L cartement des marques verticales surla fig 4 plac es vue d oeil sur les barycentres des maxima est en moyenne d une valeur AU 18 5 V Cette valeur est nettement plus proche pour des nergies d excitation des niveaux 3p du n on 18 4 19 0 eV que pour celles des niveaux 3s 16 6 16 9 eV Ces derniers sont donc excit s par un choc lectronique in lasti que avec une probabilit nettement moins grande La sous structure de la courbe mesur e montre que l excita tion des niveaux 3s ne peut pas tre compl tement n glig e On constate que pour les chocs doubles et multiples il survient toutes les combinaisons de l excitation d un niveau 3s et d un niveau 3p Fig 4 Courbe de Franck Hertz pour le n on U 15 1V lt S b Emission de lumi re Ui 2 06 V U3 7 94 V Les couches luminescentes sont des zones forte densit d excitation Elles peuvent tre directement compar es avec les minima de la courbe de Franck Hertz Leur cartement correspond une tension d acc l ration U gt 19 V II se forme donc une couche luminescente suppl mentaire si on aug mente U d env 19 V voir tableau 1 Tableau 1 Nombre n de zones luminescentes en fonction de la tension d acc l ration U gt
4. collecteur baisse nettement tant donn que les lectrons ne peuvent plus surmonter la tension inverse U3 apr s le choc Au fur et mesure que la tension d acc l ration U augmente les lectrons atteignent l nergie n cessaire l excitation des atomes de n on toujours plus loin avant la grille G2 Apr s le choc ils sont nouveau acc l r s et absorbent nouveau pour une tension d acc l ration suffisante tellement d nergie du champ lectrique qu ils peuvent exciter un atome de n on I s en suit un second maximum et pour une tension U encore plus grande d autres maxima du courant du collecteur la Pourdes tensions d acc l ration plus lev es on observe des couches fluorescentes rouge tres nettement s par es les unes des autres entre les grilles G et G2 Une comparaison avec la courbe de Franck Hertz montre qu il s agit de couches forte densit d excitation Remarque pr liminaire La courbe de Franck Hertz peut tre enti rement saisie en fonctionnement manuel Pour une rapide vue d ensemble par ex en vue de l optimisa tion des param tres exp rimentaux il est recommand d uti liser un oscilloscope deux canaux Mais il faut tenir compte du fait qu une image stationnaire obtenue l oscilloscope exige une fr quence de r p tition pour la tension d acc l ra tion pour laquelle les capacit s du tube de Franck Hertz et de la douille jouent un r le Le courant requis pour l chang
5. e de charge des lectrodes occasionne un l ger d calage et une l g re distorsion de la courbe de Franck Hertz Pour le trac de la courbe de Franck Hertz il est recommand d utiliser un enregistreur XY a Mesure en fonctionnement manuel _Positionner le commutateur du mode de fonctionnement sur MAN et lentement faire varier manuellement U2 entre 0 V et 80 V Relever la tension U2 et le courant la sur l affichage pour cela proc der la commutation avec le commutateur s lecteur b Repr sentation avec l oscilloscope Relier les douilles de sortie U2 10 au canal II 1 V DIV et les douilles de sortie Ua au canal I 2 V DIV de l oscilloscope faire fonctionner l oscilloscope en mode XY _Positionner le commutateur du mode de fonctionnement de l alimentation pour tube de Franck Hertz sur dent de scie Choisir la position Y de telle sorte que la partie sup rieure de la courbe soit enti rement repr sent e c Trac avec l enregistreur XY Relier les douilles de sortie U2 10 l entr e X 0 5 V cm et Ua l entr e Y 1 V cm de l enregistreur XY _Positionner le commutateur du mode de fonctionnement sur RESET R gler le z ro de l enregistreur en direction X etY etinscrire une marque sur le papier en abaissant bri vement la plume Pour le trac positionner le commutateur du mode de fonctionnement sur rampe puis abaisser la plume Une fois le trac termin relever la
6. nck Hertz b Optimisation de U3 Plus la tension inverse U3 est lev e plus les maxima et les minima de la courbe de Franck Hertz sont marqu s le courant du collecteur tant dans l ensemble simultan ment r duit Montage exp rimental pour l exp rience de Franck Hertz avec le n on Si les maxima et les minima de la courbe de Franck Hertz sont mal marqu s voir fig 3c augmenter alternativement d abord la tension inverse U3 maximum 18 V et ensuite la tension d aspiration U1 jus qu obtention de la forme de courbe de la fig 3e Siles minima de la courbe de Franck Hertz sont coup s la base voir fig 3d r duire alternativement d abord la tension inverse U3 maximum 18 V et ensuite la tension d aspiration U1 jus qu obtention de la forme de courbe de la fig 3e Fig 3 Sch ma synoptique pour l optimisation des courbes de Franck Hertz par le choix appropri des param tres U et U3 b d P6 2 4 3 LEYBOLD Fiches d exp riences de physique R alisation a Courbe de Franck Hertz Tracer la courbe de Franck Hertz voir remarque pr limi naire b Emission de lumi re Positionner le commutateur du mode de fonctionnement sur MAN Optimiser la tension d acc l ration U2 jusqu ce qu il soit possible d observer une zone luminescente rouge jaune entre les grilles G1 et G2 Chercher en suppl ment les tensions d
7. plume et commuter sur RESET LEYBOLD Fiches d exp riences de physique P6 2 4 3 9 JS o Fig 2 Montage Le montage exp rimental est repr sent la fig 2 d abord Fixer le tube de Franck Hertz dans le support avec socle et le brancher la douille a de l alimentation pour tube de Franck Hertz l aide du c ble de raccordement Optimisation de la courbe de Franck Hertz R gler la tension d aspiration U1 1 5 V et la tension inverse U3 5 V puis tracer la courbe de Franck Hertz voir remarque pr liminaire a Optimisation de U1 Plus la tension d aspiration U est lev e plus le courant d mission des lectrons est important Si la courbe de Franck Hertz monte en pente trop raide donc si d j en dessous de U 80 V la capacit de charge de l amplificateur de mesure du courant est atteinte et que la courbe de Franck Hertz est coup e en haut voir fig 3 a r duire U jusqu ce que la pente de la courbe cor responde la fig 3c Si la courbe de Franck Hertz monte trop faiblement donc si le courant du collecteur l reste partout inf rieur 5 nA voir fig 3b augmenter U jusqu ce que la pente de la courbe cor responde la fig 3c ventuellement optimiser le chauffage de la cathode conform ment au mode d emploi pour l alimentation pour tube Fra
8. rend un syst me planaire de quatre lec trodes voirfig 1 La cathode K a tout pr s d elle une lectrode de commande G en forme de grille un peu plus loin une grille d acc l ration G gt avec c t une lectrode collectrice A Le chauffage de la cathode est indirect afin d viter une diff rence de potentiel le long de K Des lectrons s chappent de la cathode chaude et forment un nuage de charge d espace Ils sont aspir s par la tension U entre la cathode et la grille G Le courant d mission est quasiment ind pendant de la tension d acc l ration U entre les grilles G et G gt abstraction faite d une in vitable p n tra bilit Entre la grille G et le collecteur A il y a une tension inverse U3 Seuls des lectrons avec une nergie cin tique suffisante arrivent l lectrode collectrice et apportent leur contribution au courant du collecteur Dans l exp rience on augmente la tension d acc l ration U2 de 0V 80 V pour une tension d aspiration U fixe et une tension inverse U3 puis on mesure le courant du collecteur la correspondant Dans un premier temps il augmente un peu comme dans le cas d une t trode classique mais il atteint un maximum lorsque l nergie cin tique des lectrons suffit juste devant la grille G gt pour d livrer par collision l nergie requise Fig 1 Repr sentation sch matique du tube de Franck Hertz au n on pour l excitation d un atome de n on Le courant du
9. robabilit dans les dix tats 3 p situ s entre 18 4 eV et 19 0 eV au dessus de l tat fondamental Les quatre tats 3s l g re ment en dessous avec 16 6 eV 16 9 eV sont excit s avec une moins grande probabilit La d sexcitation des tats 3 p l tat fondamental avec mission de photons n est possible qu en passant par les tats 3s La lumi re ainsi mise est dans le domaine du visible entre rouge et vert et peut donc s observer l oeil nu Diagramme nerg tique simplifi du n on en haut et repr sentation sch matique du courant lectronique qui circule vers le collecteur en fonction de la tension d acc l ration dans le cas de l exp rience de Franck Hertz avec le n on en bas P6 2 4 3 LEYBOLD Fiches d exp riences de physique Mat riel 1 tube de Franck Hertz au n on 555 870 1 support avec socle et blindage pour 555870 555 871 1 c ble de raccordement pour tube de FH aun on 555 872 1 alimentation pour tube de Franck Hertz 55588 Recommand pour l optimisation de la courbe de Franck Hertz 575211 575 24 1 oscilloscope deux canaux 303 2 c bles de mesure BNC 4 mm Recommand pour le trac de la courbe de Franck Hertz 1 enregistreur XY YtSR 720 C bles d exp rience 575 663 Dans un tube en verre sous vide on met du gaz n on expos la temp rature ambiante et une pression d env 10 hPa Le tube en verre comp
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