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Chapitre 3b Interaction lumière-matière. Quantification de la lumière et de la matière.

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1 Chapitre 3b Interaction lumière-matière

2 Quantification de la lumière et de la matière

3 Un peu dhistoire Max PLANCK ( ) Wilhelm WIEN ( ) Josef STEFAN ( )

4 Le modèle ondulatoire de la lumière ne suffit pas à expliquer le rayonnement du corps noir. M. Planck propose une théorie des quanta dénergie (1900) et lapplique avec succès à lexplication du rayonnement du corps noir. Il suppose que léchange dénergie entre matière et rayonnement se fait de façon discontinue, cest-à-dire par quanta. Ces quanta (ε) sont proportionnels aux fréquences ν du rayonnement et lénergie échangée a pour expression : ε = h ν avec h, une constante de proportionnalité ou constante de Planck valant : 6,62 × J·s. La loi de Planck donne la distribution de lénergie (et donc le maximum dintensité lumineuse) selon la longueur donde (ou couleur) Max PLANCK ( ) Wilhelm WIEN ( ) Josef STEFAN ( )

5 Activité 1 : savoir exploiter un texte 1) Quel modèle atteint ses limites pour expliquer le rayonnement du corps noir ? 2) Comment se fait léchange dénergie entre matière et rayonnement ? 3) Quelles sont les unités des termes de lexpression ε = h ν 4) Cherchez une définition pour le mot « quanta » 5) Ces quanta ont-ils toujours la même valeur ? Le modèle ondulatoire de la lumière ne suffit pas à expliquer le rayonnement du corps noir. M. Planck propose une théorie des quanta dénergie (1900) et lapplique avec succès à lexplication du rayonnement du corps noir. Il suppose que léchange dénergie entre matière et rayonnement se fait de façon discontinue, cest-à-dire par quanta. Ces quanta (ε) sont proportionnels aux fréquences ν du rayonnement et lénergie échangée a pour expression : ε = h νavec h, une constante de proportionnalité ou constante de Planck valant : 6.62 × J·s. La loi de Planck donne la distribution de lénergie (et donc le maximum dintensité lumineuse) selon la longueur donde (ou couleur)

6 1) Quel modèle atteint ses limites pour expliquer le rayonnement du corps noir ? Cest le modèle ondulatoire de la lumière 2) Comment se fait léchange dénergie entre matière et rayonnement ? Léchange dénergie entre matière et rayonnement se fait de façon discontinue, cest-à-dire par quanta dénergie 3) Quelles sont les unités des termes de lexpression ε = h ν ε = h x ν J J.s Hz

7 4) Définition du mot « quanta » Des quanta sont des quantités dénergie échangées prenant des valeurs prédéfinies car proportionnelles à la fréquence v de rayonnement 5) Ces quanta ont-ils toujours la même valeur ? Étant donné que la fréquence v varie, la valeur de ε peut prendre des valeurs différentes

8 Le quantum dénergie

9 En 1900, Max Planck affirme que lénergie dun rayonnement de fréquence ν est quantifiée. Cela signifie que cette énergie est proportionnelle à ν, h ou constante de Planck étant le coefficient de proportionnalité : E = h ν E représente le quantum dénergie et sexprime en joule (J) h = J.s ν : fréquence du rayonnement en hertz (Hz) Un rayonnement monochromatique ne peut échanger que des énergies multiples du quantum dénergie hν. Attention ! Comme la fréquence ν varie, les quanta dénergie peuvent prendre différentes valeurs !

10 de-galaxies-pas-une-necessite-pour-john-moffat_13545/ En 1905, Albert Einstein va plus loin dans cette réflexion et introduit la notion de quantification de la lumière. Il crée un nouveau concept : celui du grain dénergie ou photon. Lors de son émission ou son absorption, lénergie échangée par le photon est un quantum dénergie dexpression : ε = h ν Albert Einstein ( ) Activité 2 : savoir exploiter un texte 1) À quel phénomène physique Albert Einstein étend-il la théorie des quantas ? 2) Quel nouveau concept met-il en avant ?

11 de-galaxies-pas-une-necessite-pour-john-moffat_13545/ En 1905, Albert Einstein va plus loin dans cette réflexion et introduit la notion de quantification de la lumière. Il crée un nouveau concept : celui du grain dénergie ou photon. Lors de son émission ou son absorption, lénergie échangée par le photon est un quantum dénergie dexpression : ε = h ν Albert Einstein 1) À quel phénomène physique Albert Einstein étend-il la théorie des quantas ? Il étend cette théorie à la lumière. 2) Quel nouveau concept met-il en avant ? Il avance lexistence de grains ou corpuscules de lumière ou photons.

12 Le modèle corpusculaire de la lumière

13 En 1905, Albert Einstein affirme que la lumière elle-même est quantifiée et propose un modèle corpusculaire de la lumière : la lumière est un flux de particules appelées photons, transportant chacun le quantum dénergie hν. Il existe une relation liant la fréquence ν et la longueur donde λ : ν = c / λ c : vitesse de la lumière dans le vide c = 3, m.s -1 λ : longueur donde de la lumière en m Expression de lénergie dun photon : E = h ν = h x c / λ

14 Les niveaux dénergie de la matière

15 Le diagramme d'énergie d'un élément chimique, ancré dans la théorie des quanta, explique quun atome ne peut exister que dans certains états d'énergie bien définis. Le diagramme d'énergie représente ces différents états par des lignes horizontales, numérotées de n = 1 à n =, avec, en ordonnée, les différents niveaux d'énergie auxquels elles correspondent. Activité 3 : savoir exploiter un texte 1)Que représentent les lignes horizontales du diagramme ? 2) Quelle est lordonnée du diagramme et son unité ? Quelle est lunité courante de cette grandeur ? Diagramme du mercure

16 1) Que représentent les lignes horizontales du diagramme ? Elles représentent les différents niveaux dénergie de latome de mercure en partant de létat fondamental vers des états de plus en plus excités. 2) Quelle est lordonnée du diagramme et son unité ? Quelle est lunité courante de cette grandeur ? Lordonnée du diagramme est lénergie des différents états de latome, elle est en eV pour électronvolt qui est une autre unité dénergie que le Joule au niveau atomique

17 Un élément ne peut passer d'un état à un autre que si un photon lui apporte la quantité exacte d'énergie pour passer d'une ligne à une autre. Si la quantité d'énergie est différente, le photon n'aura aucun effet sur l'élément. Le niveau n = 1 est appelé niveau fondamental. Les autres sont des états excités. Le passage du niveau fondamental à un niveau excité se caractérise par une absorption d'énergie. La transition inverse est une émission lumineuse monochromatique Activité 3 : suite 3) Quel niveau représente latome dans son état le plus stable ? 4) Pour passer de E 0 à E 1, latome doit-il absorber ou émettre un photon ? 5) Exprimez et calculez lénergie E du photon permettant de passer de létat E 0 à E 1. E 1 est-il un état excité ?

18 3) Quel niveau représente latome dans son état le plus stable ? Cest le niveau fondamental. 4) Pour passer de E 0 à E 1, latome doit-il absorber ou émettre un photon ? Latome passe de létat fondamental à un état excité, il doit donc absorber de lénergie. 5) Exprimez et calculez lénergie E du photon permettant de passer de létat E 0 à E 1. E 1 est-il un état excité ? ΔE = E 1 – E 0 = - 5,50 – (- 10,4) ΔE = 4,9 eV Doù lénergie du photon E = 4,9 eV Lénergie de létat E 1 est supérieure à celle de létat fondamental donc latome est dans un état excité en E 1.

19 En 1913, Niels Bohr suggère que latome ne peut exister que dans certains états dénergie définis par leur niveau dénergie. Le niveau dénergie le plus bas ou niveau fondamental est celui où la stabilité de latome est la plus grande. Sa valeur est n = 1. Pour n > 1, lénergie est notée E n et latome est dans un état excité. Lorsque n tend vers linfini, alors lénergie est maximale et, pourtant, cest pour cet état que, conventionnellement, lénergie est considérée nulle. Latome devient ionisé : il perd son électron. Remarque : avec cette convention, les énergies E n sont négatives.

20 Interaction lumière-matière

21 Passer dun niveau à un autre Observons le schéma ci-contre. Récapitulons ce qui produit un photon sur un atome et inversement Un photon peut être émis ou absorbé par un atome ou un ion. Cela provoque un changement de niveau dénergie appelé transition.

22 Absorption dun photon Voici un spectre dabsorption, expliquons avec lintervention dun photon lexistence des raies noires. ee/Seconde/QCSpectres.ht m Lors de labsorption dun photon dont lénergie E vaut lénergie de transition ΔE, latome passe dun niveau dénergie plus faible E i à un niveau dénergie plus élevé E f (E f > E i ). Cette absorption nest possible que si E f – E i = ΔE = E = h c / λ Dans un spectre dabsorption, on observera une raie noire dabsorption correspondant à cette transition pour la longueur donde λ = h c / E = h c / ΔE Énergie du photon absorbé : E = ΔE

23 Absorption dun photon

24 Émission dun photon Voici un spectre démission, expliquons avec lintervention dun photon lexistence des raies colorées. ee/Seconde/QCSpectres.ht m Lors de lémission dun photon dont lénergie E vaut lénergie de transition |ΔE|, latome passe dun niveau dénergie plus grand E i à un niveau dénergie plus faible E f (E f < E i ). Cette émission nest possible que si |E f – E i | = |ΔE| = E = h c / λ Dans un spectre démission, on observera une raie colorée démission correspondant à cette transition pour la longueur donde λ = h c / E = h c / |ΔE| Énergie du photon émis : E = |ΔE|

25 Émission dun photon

26 Présentation de lélectronvolt Cest une énergie parfaitement adaptée aux faibles valeurs dénergie dans latome. Conversion utile : 1 eV = 1, J ΔE (J) = ΔE (eV) x 1, Attention ! Si vous calculez une énergie en eV, vous devez ensuite la convertir en Joule pour calculer v ou λ

27 Exploiter un diagramme dénergie Voici le diagramme dénergie du sodium Activité 4 : 1) Que vaut lénergie de latome de sodium à létat fondamental ? 2) Exprimez et calculez le quantum dénergie nécessaire pour passer de létat E 1 à E 0 en eV puis en Joule. 3) Exprimez et calculez la longueur donde λ de la radiation absorbée lors de cette transition. 4) Dans quel domaine de couleur se situe cette raie ?

28 1) Que vaut lénergie de latome de sodium à létat fondamental ? E 0 = - 5,14 eV 2) Exprimez et calculez le quantum dénergie nécessaire pour passer de létat E 1 à E 0 en eV puis en Joule. Latome de sodium dans son état fondamental dénergie E i = - 3,03 eV peut passer au niveau E f = - 5,14 eV sil reçoit un quantum dénergie ΔE = E f – E i = E 0 – E 1 = - 5,14 - (- 3,03) = - 2,11 eV. Rq : Tout autre photon de quantum dénergie différent de cette valeur ne sera pas absorbé ΔE (J) = ΔE (eV) x 1, = - 2,11 x 1, ΔE (J) = - 3, J

29 3) Exprimez et calculez la longueur donde λ de la radiation absorbée lors de cette transition. λ = h c / |ΔE| = x 3, / 3, = 5, m ou 588 nm 4) Dans quel domaine de couleur se situe cette raie ? Elle se situe dans le jaune

30 Le spectre solaire

31 Une source incandescence Le soleil peut être assimilé une boule de gaz très chaude sous haute pression entourée par une atmosphère gazeuse, plus froide et sous une pression plus faible. Son cœur émet un spectre continu contenant toutes les radiations du visible (celui de la lumière blanche).

32 Spectre dabsorption Le spectre dabsorption du solaire présente un grand nombre de raies dabsorption. Par comparaison avec les spectres démission déléments chimiques répertoriés, il est donc possible de déterminer la composition de latmosphère du soleil (chromosphère) (voir programme de 2°).

33 Rappel : Comme un corps ne peut émettre que ce quil absorbe, nous observons à la même position une raie noire dans le spectre dabsorption et une raie colorée dans le spectre démission.

34 Chapitre 3b Interaction lumière-matière Cest fini…


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