Décrire l’interaction lumière‑matière

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Fiches
Classe(s) : 1re S | Thème(s) : Sources de lumière colorée


Rappels de cours

1 La lumière : onde et corpuscule

► La lumière est une onde électromagnétique : elle a une nature ondulatoire.

λ=cν

λ (lambda) est la longueur d’onde dans le vide, en mètres (m)

ν(nu) est la fréquence, en hertz (Hz)

c=3,00×108ms1 est la vitesse de la lumière dans le vide

► Depuis les travaux d’Albert Einstein, publiés en 1905, on considère que la lumière a également une nature corpusculaire. Les particules de lumière (corpuscules) sont appelées photons.

À noter Les énergies des atomes étant très faibles, on utilise souvent comme unité d’énergie l’électronvolt (eV) : 1eV=1,60×1019J.

► Pour une radiation de longueur d’onde λ dans le vide, chaque photon transporte un quantum (au pluriel quanta) d’énergie :

E=hν=hcλ

E est l’énergie du quantum, en joules (J)

ν est la fréquence de la radiation associée au photon, en hertz (Hz)

h=6,63×1034Js est la constante de Planck

2 La quantification de l’énergie des atomes

► En 1913, le physicien Niels Bohr postule qu’un atome ne peut exister que dans des états bien définis, caractérisés par un niveau d’énergie : les niveaux d’énergie de l’atome sont quantifiés.

► Le diagramme de niveaux d’énergie d’un atome représente les niveaux d’énergie possibles pour cet atome. Le niveau de plus basse énergie correspond à l’état fondamental : c’est l’état stable de l’atome. Les autres états, d’énergie supérieure, sont qualifiés d’états excités. Dans le niveau d’énergie nulle, l’atome est ionisé.

3 Les échanges d’énergie : émission et absorption de lumière

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► Le passage d’un niveau d’énergie à un autre, appelé transition, s’accompagne de l’émission ou de l’absorption d’un photon dont l’énergie ΔE=hν est égale à la différence d’énergie qui sépare les niveaux de départ et d’arrivée.

► Les échanges d’énergie entre la matière et la lumière sont quantifiés.

Méthode

Exploiter un diagramme de niveaux d’énergie

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Le diagramme des niveaux d’énergie du mercure est donné ci-contre.

1. Déterminer la longueur d’onde du photon émis lorsque l’atome effectue une transition de E2 vers E0.

2. Un photon d’énergie 4,67 eV peut-il être absorbé par un atome de mercure dans son état fondamental ?

Données : c=3,00×108ms1 ; 1eV=1,60×1019J ; h=6,63×1034Js

Solution

1. ΔE=E2E0=5,55(10,44)=4,89eV.

On convertit cette énergie en joules : ΔE=4,89×1,60×1019=7,82×1019J.

Or ΔE=hcλλ=hcΔE ; λ=6,63×1034×3,00×1087,82×1019=2,54×107m=254nm.

2. Le photon peut être absorbé par l’atome de mercure car son énergie correspond à l’énergie associée à la transition entre le niveau d’énergie E0 et le niveau d’énergie E1 :

E0 +4,67=10,44+4,67=5,77eV= E1.