Spectroscopie de l'atome d'hydrogène et les différents modèles atomiques

5. Confirmation expérimentale du modèle de Niels BOHR- Expérience de FRANCK et HERTZ

En 1914, FRANCK et HERTZ font une découverte étonnante en bombardant une vapeur d'atome de mercure par des électrons accélérés à des énergies de quelques eV. Le dispositif expériemental est présenté à la figure suivante:

Tant que l'énergie des électrons est inférieure à un certain seuil Es=4.9eV, les électrons émergents ont même énergie que les électrons incidents (pas de perte ni de gain d'énergie)

Si l'énergie des électrons vaut 4.9eV, les électrons sortant perdent pratiquement toute leur énergie dans la collision.

Au dessus de 4.9eV, une fraction des électrons émergents a une énergie inférieure de précisément 4.9 eV à leur énergie initiale, les autres ont conservé leur énergie.

Par ailleurs, lorsque l'énergie des électrons est supérieure à ce seuil, on observe que les atomes de mercure émettent un rayonnement ultraviolet de longueur d'onde l=253.7nm, ce qui ne  s'observe pas si l'énergie des électrons est inférieure à ce seuil. Or la raie de mercure de longueur d'onde λ=253.7nm est connue depuis longtemps dans la spectroscopie de cet élément, elle correspond à une fréquence qui satisfait la relation hν=4.9eV.

Cette observation est une confirmation simple et directe des idées de Niels BOHR (1912-1914) sur la structure de l'atome et sur la spectroscopie.

L'interprétation des résultats de FRANCK et HERTZ corrobore parfaitement le fait que l'énergie d'un atome ne peut adopter que des valeurs discrètes ou quantifiées et que les raies de la spectroscopie correspondent à des transitions entre niveau d'énergie.

En entrant en collision avec l'atome, l'électron peut lui transférer une partie de son énergie et le porter de son niveau d'énergie le plus bas à un niveau d'énergie supérieur. Bien entendu, cela ne peut se produire que si l'énergie de l'électron incident est supérieure ou égale à cette quantité d'énergie entre niveaux atomiques. Une fois porté au niveau d'énergie supérieur, l'atome se désexcite en émettant un rayonnement à la fréquence de BOHR.