I. LA LUMIERE : ONDE ET PARTICULE
1. Modèle ondulatoire de la lumière (rappel)
2. Modèle corpusculaire de la lumière – Le photon
Application : Déterminer l’énergie transportée par un photon émis par un laser rouge dont la radiation a pour longueur d’onde λ = 632 nm
Dualité onde – corpuscule : La lumière présente des propriétés d’onde et de particule
✓ La lumière est une onde : propagation d'une vibration de nature électromagnétique
✓ Chaque radiation lumineuse est caractérisée par sa fréquence de vibration ν (Hz) ou par sa longueur d’onde λ (nm). La longueur d’onde et la fréquence étant reliées par la relation :
𝝀 =
𝒄𝝂
Avec λ en mètre (m) ; ν en hertz (Hz) ; c vitesse de la lumière dans le vide (c = 3,00.108m.s-1)
✓ Les particules de lumière sont appelées des photons
✓ Un photon est toujours en mouvement et se déplace à la célérité de la lumière du milieu considéré. Il n’a ni masse ni charge électrique
✓ Chaque photon, associé à une radiation de longueur d'onde dans le vide λ et de fréquence ν, transporte un quantum d'énergie de valeur :
𝐸𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜𝑛= ℎ𝜈 = ℎ𝑐 𝜆
Avec h constante de Planck (h = 6,63×10-34 J.s), Ephoton en Joule (J), ν en Hz, λ en m et c en m.s-1
ONDES ET SIGNAUX CHAPITRE 12
Cours
MODELE CORPUSCULAIRE DE LA LUMIERE INTERACTION LUMIERE MATIERE
Les énergies mises en jeu dans ce domaine (microscopique) sont exprimées en électron-volt : 1 eV = 1,60.10-19 J.
II. QUANTIFICATION DE L’ENERGIE DES ATOMES
✓ À chaque répartition des électrons sur les couches électroniques, correspond un niveau d'énergie de l'atome.
✓ Pour qu'un électron passe d'une couche électronique proche du noyau à une couche plus éloignée, il doit recevoir de l'énergie ; il en restitue dans le cas contraire.
1. Diagramme d’énergie
On utilise un diagramme énergétique pour représenter les différents niveaux d’énergie intrinsèque à l’atome
Remarque : Dans l'état d'énergie nulle, l'atome est ionisé.
2. Transitions atomiques
Le passage d’un niveau d’énergie Ei à un autre Ef est appelé transition. L’énergie perdue ou gagnée par l’atome est notée ΔE.
• Si Ei < Ef , (ΔE = Ef - Ei > 0) l’atome reçoit de l’énergie du monde extérieur : il subit une excitation. On représente cette transition par une flèche droite orientée de bas en haut.
• Si Ei > Ef , (ΔE = Ef - Ei < 0) l’atome perd de l'énergie et en fournit donc au monde extérieur : il subit une désexcitation. On représente cette transition par une flèche droite orientée de haut en bas.
✓ Un atome ne peut exister que dans des états d'énergie bien définis, chaque état étant caractérisé par un niveau d'énergie. L'énergie d'un atome est donc quantifiée.
✓ Le niveau d’énergie le plus faible d’un atome correspond à son état stable ; il est appelé état fondamental. Sinon, on dit qu'il est dans un état excité ; les états excités sont instables (durée de vie de l’ordre de 10-8 s).
Diagramme de niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène
3. Interprétation des spectres de raies
Émission de lumière : Un atome excité retourne spontanément à son état fondamental ou à un état d'énergie plus faible. En se désexcitant, c'est à dire en passant d'un état excité d'énergie Esup à un état d'énergie plus faible Einf, l'atome émet un photon qui emporte l'énergie perdue par l'atome : Ephoton = Esup – Einf = hν. Cette émission de photon est représentée par une flèche ondulée « sortante ». Elle se traduit par l'émission d'une radiation de longueur d'onde dans le vide :𝜆 = ℎ𝑐
𝐸𝑠𝑢𝑝− 𝐸𝑖𝑛𝑓
Remarque : Si cette radiation fait partie du domaine du visible, on pourra observer une raie colorée dans le spectre d'émission de l'atome.
Absorption de lumière : Un atome dans un état d'énergie Einf peut absorber un photon d'énergie Ephoton s'il possède un niveau d'énergie supérieure Esup tel que Ephoton = Esup – Einf .Cette absorption de photon est représentée par une flèche ondulée « entrante ». Elle se traduit par l'absorption d'une radiation de longueur d'onde dans le vide :Remarque : Si cette radiation fait partie du domaine du visible, on pourra observer une raie noire dans le spectre d'absorption de l'atome
Les énergies des photons qu'un atome peut échanger ne peuvent prendre que des valeurs discrètes et ces valeurs sont les mêmes que le photon soit émis ou absorbé.𝜆 = ℎ𝑐
𝐸𝑠𝑢𝑝− 𝐸𝑖𝑛𝑓
Le spectre d'un atome est un spectre de raies et les raies ont les mêmes places dans les spectres d'émission que dans les spectres d'absorption.
