AQuantification des niveaux d’énergie de la matière
Définition
Quantification de l’énergie d’un atome
L’énergie d’un atome ne peut prendre que certaines valeurs : l’énergie d’un atome est quantifiée.
Formule
Conversion d’énergie entre le joule et l’électronvolt
Le joule J étant une unité bien trop importante pour les échanges d’énergie concernant la lumière et la matière, nous emploierons l’électronvolt eV, plus adapté à cette échelle :
1eV =1,60.10−19J
Définition
Diagramme énergétique d’un atome
Représente les différentes énergies possibles d'un atome (en Joule ou en électronvolt).
Les différents états sont représentés par des lignes horizontales, numérotées de n=1 à n=∞, avec, en ordonnée, l’énergie de ces niveaux.
Remarque
Le niveau n=1 est appelé état fondamental et correspond à l’énergie la plus basse. Les autres niveaux sont appelés des états excités.
Remarque
Les états excités sont instables (durée de vie de l’ordre de 10−8s).
BModèle corpusculaire de la lumière : le photon et son énergie
Remarque
Le modèle ondulatoire de la lumière est indispensable pour étudier la propagation de la lumière mais il est insuffisant pour décrire les échanges d'énergie entre matière et lumière comme l’effet photoélectrique. Pour interpréter ces propriétés, les physiciens ont été amenés à considérer la lumière sous un aspect corpusculaire : le photon ou quantum d’énergie.
Formule
Chaque photon possède une énergie E, en joules, qui est proportionnelle à la fréquence ν de l’onde associée (en hertz) :
E=hν ;
avech=6,63.10−34J.slaconstantedePlanck.
CRelation $$E=h \nu$$ dans les échanges d’énergie
Propriété
Condition de passage d'un état énergétique à un autre
Un atome ne peut passer d'un état énergétique à un autre plus élevé que si un photon lui apporte la quantité exacte d'énergie séparant ces 2 niveaux.
Si la quantité d'énergie est différente, le photon n'aura aucun effet sur l'élément.
Remarque
Le passage du niveau à un niveau excité plus haut en énergie se caractérise par une absorption d'énergie (absorption de lumière).
La transition inverse est une émission d’énergie (émission de lumière).
Remarque
L’écart d’énergie entre les niveaux correspond à l’énergie du photon émis ou absorbé :
∣E2−E1∣=hν avec les énergies en Joules, la fréquence ν de l’onde associée en hertz et la constante de Planck h en J.s (h=6,63.10−34J.s)
Propriété
Longueurs d'onde des raies d'absorption et d'émission
Pour une même substance (même élément chimique), les raies d'absorption correspondent aux raies d'émission. Les raies d'absorption et d'émission ont donc la même longueur d'onde.
DSpectre solaire
Remarque
Le soleil : modèle du corps noir
Une étoile (ex. : Soleil) est présentée comme un corps noir. À basse résolution spectrale, le spectre du soleil se superpose à celui d'un corps noir de température 5777K.
Remarque
Raies de Fraunhofer
Fraunhofer a effectué et publié des observations du spectre solaire, et les raies sombres qu'il remarqua (1814) sont aujourd'hui appelées raies de Fraunhofer.
Remarque
On peut faire correspondre les raies d’absorption du spectre solaire aux raies d’absorption des éléments chimiques connus et en déduire la composition de l’atmosphère solaire.