Interaction lumière-matière, quantification de l’énergie de l’atome [images et couleurs]

photon lumière1.      La lumière possède un caractère ondulatoire.

La lumière est une onde électromagnétique.

Chaque radiation lumineuse est caractérisée par sa longueur d’onde dans le vide λ (lambda) ou sa fréquence ν (nu)

La longueur d’onde dans le vide et la fréquence de l’onde sont reliés par la relation :

    \[ \lambda = \frac{c}{\nu} \]

c : célérité de la lumière dans le vide  = 3,00.108 m.s-1.

ν : fréquence en hertz (Hz)

λ : longueur d’onde dans le vide en mètres (m)

2.      La lumière possède également un caractère corpusculaire (particule)

Les échanges d’énergie entre la matière et la lumière et la matière sont quantifiés. Les atomes ou les molécules ne peuvent échanger que certaines valeurs d’énergie, appelées quanta d’énergie (quantum au singulier). Un quantum d’énergie est transporté par une particule appelée photon.

L’énergie E transportée par un photon est reliée à la fréquence de l’onde par la relation :

    \[ E = h.\nu \]

E : énergie du photon en joules (J)

ν : fréquence de l’onde en hertz (Hz)

h = 6,63.10-34 J.s est la constante de Planck

L’énergie est souvent exprimée en électrons-volts (eV) :      1 eV = 1,6 . 10-19 joules (J)

 

3.      Les niveaux d’énergie des atomes sont quantifiés.

niveaux energie hydrogene

 

 

Les échanges d’énergie avec les atomes étant quantifiés, les états énergétiques de l’atome, appelés niveaux d’énergie, En sont quantifiés. Les niveaux d’énergie forment une suite discrète.

Lorsqu’un atome est au repos, il est sur son niveau d’énergie le plus bas. Il est dans son état fondamental. Lorsqu’il est sur un niveau d’énergie supérieur, on dit qu’il est dans un état excité.

 

Le passage d’un niveau d’énergie à un autre s’appelle une transition et s’accompagne de l’émission ou de l’absorption d’un photon.

transition absorption photontransition emssion photon

L’énergie échangée lors d’une transition est égale à la différence entre les énergies des deux niveaux d’une transition.  D’où la relation :

    \[ ΔE = |E_{p} - E_{n}| = h.\nu = \frac{h.c}{\lambda}\quad \quad \]

avec

    \[  |E_{p} - E_{n}| \quad \]

 différence entre deux niveaux d’énergie (en valeur absolue) en joules (J)

    \[  h.\nu = \frac{h.c}{\lambda} \quad \]

 expression de l’énergie du photon échangé en fonction de la fréquence ν ou de la longueur d’onde dans le vide

La quantification de l’énergie de l’atome permet d’expliquer les spectres de raies d’émission et d’absorption. Les raies d’émission ou d’absorption d’un élément chimique sont caractéristiques de cet élément.

4.      Le spectre solaire.

Le Soleil émet un rayonnement continu d’origine thermique présentant des raies sombres d’absorption. Ce spectre d’absorption de raies est dû à l’absorption des atomes de la chromosphère (l’atmosphère du Soleil) et de l’atmosphère terrestre.  Les raies d’absorption caractérisent la composition chimique de la chromosphère et de l’atmosphère.

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