L'interaction lumière-matière

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Fiches
Classe(s) : 1re STL | Thème(s) : Les ondes électromagnétiques

REMARQUE

Cette partie concerne uniquement la filière STL.

A Les différents types de spectres

aLes spectres d’émission

Il existe plusieurs types de spectres d’émission :

le spectre de raies comporte une ou plusieurs raies claires verticales, il est discontinu. C’est par exemple le spectre du laser, celui de la lampe à vapeur de sodium (dans les deux cas, il n’y a qu’une seule raie donc monochromatique) et celui de la lampe à décharge (polychromatique) ;

le spectre peut être continu, il y a alors des bandes comme pour celui de la lampe à incandescence ou de l’ampoule à diode électroluminescence. Le spectre du soleil est continu avec de nombreuses raies noires, correspondant à des radiations absorbées.

bLes spectres d’absorption

Les spectres d’absorption comportent un fond continu et des raies noires ou des bandes plus ou moins opaques. Ils sont complémentaires des spectres d’émission : en haut, un spectre d’absorption et en bas le spectre d’émission d’une ampoule à vapeur de sodium.

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B Les photons

Les transferts d’énergie entre matière et lumière sont discontinus et quantifiés. Ils ne peuvent se faire que par « paquets » d’énergie contenant chacun une énergie bien déterminée. La plus petite énergie échangeable ΔE est transportée par un photon.

L’énergie transportée par un photon dépend de sa fréquence ν, elle est donnée par la formule de Planck :

Image dont le contenu est 	ΔE : énergie transportée en joule (J) ΔE = h × ν	h = 6,63 × 10–34 J.s : constante de Planck en joule seconde (J.s)	ν : fréquence en hertz (Hz); Fin de l'image

REMARQUE

L’énergie ΔE peut s’exprimer en électron-volt (eV) : 1 eV = 1,6 × 10–19 J.

On peut aussi écrire la formule de l’énergie E = h×cλ0 puisque ν = cλ0, avec λ0 la longueur d’onde du photon dans le vide.

L’énergie est inversement proportionnelle à la longueur d’onde λ0 du photon. Un photon γ transporte plus d’énergie qu’un photon X, qui est lui-même plus énergétique qu’un photon ultraviolet…

Exemple

Un photon de fréquence ν = 2,5 × 1020 Hz transporte une énergie ∆E = 6,62 ×10–34 × 2,5 × 1020 = 1,7 × 10–13 J. Cette énergie est toute petite.

C Le diagramme de niveau d’énergie

La physique quantique a établi que la matière ne peut exister que dans certains états d’énergie déterminés, chaque état étant caractérisé par un niveau d’énergie. L’énergie de la matière est donc quantifiée.

Le diagramme de niveaux d’énergie d’un atome (ci-contre celui d’un atome de sodium) représente les niveaux possibles :

l’état de plus basse énergie correspond à l’état fondamental où l’atome est stable ;

les autres états, d’énergie supérieure, sont qualifiés d’états excités : il en existe une infinité.

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D L’émission et l’absorption de la lumière

La quantification des niveaux d’énergie rend compte du caractère discontinu des spectres d’émission et d’absorption atomiques.

aL’émission de lumière

En passant d’un état excité à un état d’énergie inférieure, l’énergie de l’atome diminue de ΔE et il se produit une transition. L’atome émet alors un photon de même énergie. Cela se traduit par l’émission d’une radiation de longueur d’onde dans le vide λ, visible dans le spectre, telle que : λ = h×cΔE avec ∆E = Es – Ei.

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EXEMPLE

On retrouve la longueur d’onde d’une raie émise par un atome de sodium de niveau d’énergie E2 retournant au niveau d’énergie E1, tel que ∆E = E2 – E1 = 2,11 eV = 3,38 × 10–19 J soit λh×cΔE = 6,63×1034×3,00×1083,38×1019  = 5,88 × 10–7 m = 588 nm. C’est une radiation jaune visible.

bL’absorption de lumière

Un atome dans un état d’énergie Ei peut absorber un photon d’énergie ΔE s’il possède un niveau d’énergie supérieure Es, tel que Es – Ei = ΔE. Dans le spectre d’absorption de cet atome, une raie sombre de longueur d’onde λ sera observée telle que : λ = h×cΔE.

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