Interaction lumière-matière Thème 2 : Lumière et matière colorée / CHAP3 Interaction lumière-matière

Quelques données numériques DOC1 : Quelques données numériques Couleur violet bleu vert jaune orange rouge λ (nm) 400-435 435-500 500-570 570-600 600-625 625-700 1 ev = 1,6.10-19 J c = 3,0.108 m.s-1 h = 6,6.10-34 J.s

Le modèle de Bohr de l’atome DOC2 : Le modèle de Bohr de l’atome ▪ Dans le modèle de Bohr, l’atome est constitué d’électrons chargés négativement, qui orbitent autour d’un noyau chargé positivement. Cependant, les orbites des électrons sont situées à des distances précises du noyau et correspondent à des énergies bien déterminées. ▪ D’après Bohr, lorsqu’un corps est chauffé, certains de ses électrons absorbent de l’énergie et ont tendance à passer rapidement d’une orbite rapprochée à une orbite plus éloignée du noyau atomique. Chaque électron revient ensuite de lui-même à son orbite d’origine en réduisant son énergie, de façon à la faire correspondre exactement à celle de son orbite d’origine. ▪ Bohr propose que c’est sous la forme de petits « paquets d’énergie » tels que décrits par Planck et Einstein, c'est-à-dire sous la forme de photons et donc de lumière, qu’un électron se débarrasse de son surplus d’énergie ou absorbe son surplus d’énergie

DOC3 : L’atome d’hydrogène ▪ En seconde, il a été admis que les électrons d’un atome étaient sur des couches électroniques : couches K, L, M... Ainsi l’atome d’hydrogène possède un électron sur la couche K ; il possède des couches L, M... vides ; on dit alors que l’atome est dans son état fondamental ▪ Lorsque l’on soumet un atome d’hydrogène à une décharge électrique ou lorsque l’atome reçoit de l’énergie lumineuse, l’électron peut passer de la couche K, à la couche L, M... Le changement de couche n’a lieu que si le photon apporte l’énergie exactement égale à la différence d’énergie entre 2 couches, notée DE L’atome est alors dans un état instable, on dit qu’il est excité ; l’atome ne reste pas dans cet état instable. Lorsque l’atome retombe dans son état fondamental (l’électron revenant sur la couche K), il émet alors un photon

Absorption de lumière par l’atome d’hydrogène DOC4 : Absorption de lumière par l’atome d’hydrogène

Niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène DOC5 : Niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène ▪ Le spectre d’émission de l’atome d’hydrogène présente des raies dans le domaine de visible, appelées «  raies de Balmer ». Il existe d’autres raies, invisibles à l’œil nu, appelées « raies de Lyman » dans l’ultra-violet et les « raies de Paschen » dans l’infra-rouge. Niveaux excités

Les sources spectrales DOC6 : Les sources spectrales ▪ Les sources spectrales n’émettent qu’un nombre limité de longueurs d’onde, selon un spectre de raies. Une telle source est constituée d’atomes excités électriquement, et qui se désexcitent en produisant de la lumière. Les désexcitations se font à des longueurs d’onde caractéristiques des éléments présents dans la source

Les niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène  D’après les DOC2 et DOC3 :  Que dit-on de l’atome lorsqu’il est dans son état « normal », dans son état « stable » ? On dit que l’atome est dans son état fondamental  De quelles façons un atome peut-il recevoir de l’énergie ?  Un atome peut recevoir de l’énergie : - s’il est soumis à une décharge électrique - s’il est chauffé - s’il est éclairé

 Que se passe-t-il lorsqu’un atome reçoit de l’énergie ?  Si l’énergie reçue est suffisante, les électrons de l’atome peuvent passer d’une couche à une autre ;  on dit que l’atome passe d’un niveau d’énergie à un autre ou qu’il est « excité »  Si l’énergie n’est pas suffisante,  il ne se passe rien

loupé ! YES ! ballon au sol = atome dans son état fondamental

 Que se passe-t-il lorsqu’un atome redonne de l’énergie en retombant dans son état fondamental ?  L’atome émet des photons, donc de la lumière POFF

 Rappeler la formule reliant l’énergie d’un photon E à sa fréquence n ; rappeler les unités SI (Hz) (J)  Rappeler la formule reliant la longueur d’onde l ,la fréquence n et la vitesse de propagation c de toute onde électromagnétique ; rappeler les unités SI (Hz) (m)

 A l’aide des 2 relations précédentes , trouver une relation donnant l’énergie d’un photon E en fonction de sa longueur d’onde l

 A quoi correspond le niveau d’énergie 0 d’un atome  D’après le DOC4 :  A quoi correspond le niveau d’énergie 0 d’un atome  Le niveau d’énergie 0 est celui pour lequel l’électron devient indépendant du noyau :  l ’atome se transforme en ion  Quelle est l’énergie minimale (en eV puis en J) d’un photon susceptible d’ioniser un atome d’hydrogène initialement dans son état fondamental ?  L’atome a besoin de 13,6 ev pour s’ioniser : DE = 13,6 ev = 13,6 x 1,6.10-19 = 2,2.10-18 J

 Quelle est la longueur d’onde (en m puis en nm) de la radiation correspondante ? Dans quel domaine des ondes lumineuses se situe-t-elle ? 9,0.10-8 m = 90 nm  ultraviolet

 D’après le DOC5 : ▪ L’étude de ce document permet d’expliquer le spectre d’émission de l’atome d’hydrogène

Niveaux d’énergie de l’atome État d’ionisation États excités État fondamental

Absorption de lumière Si un photon apporte l’énergie correspondant à une transition entre deux niveaux d’énergie de l’atome:  l’atome absorbe cette énergie et passe en même temps dans un niveau d’énergie supérieur Atome dans l’état fondamental Apport d’énergie

Apport d’énergie insuffisante  Si l’énergie apportée par le photon est insuffisante pour atteindre un niveau d’énergie:  il ne se passe rien Apport d’énergie insuffisante

Emission de lumière  Lorsque l’atome est dans un état excité, il retourne spontanément dans son état fondamental ou dans un état d’énergie inférieur Émission d’un photon  Il émet un photon, donc un rayonnement Atome dans l’état fondamental

POFF YES ! POFF POFF

 On observe alors le spectre de raies d’émission de l’atome d’hydrogène  Seules les raies visibles par l’œil humain sont ici représentées

 Calculer l’énergie (en eV puis en J) émise par l’atome d’hydrogène lors du passage du niveau 3 au niveau 2  Lors du passage du niveau 3 au niveau 2 l’atome émet une énergie DE: DE = 1,89 ev = 3,0.10-19 J

 Calculer la longueur d’onde (en m puis en nm) du rayonnement émis ; en déduire sa couleur Rayonnement rouge

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) DE (J) l (m) l (nm) couleur

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 DE (J) 3,0.10-19 l (m) 6,6.10-7 l (nm) 660 couleur rouge

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 DE (J) 3,0.10-19 l (m) 6,6.10-7 l (nm) 660 couleur rouge

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 DE (J) 3,0.10-19 l (m) 6,6.10-7 l (nm) 660 couleur rouge

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 DE (J) 3,0.10-19 4,1.10-19 l (m) 6,6.10-7 l (nm) 660 couleur rouge

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 DE (J) 3,0.10-19 4,1.10-19 l (m) 6,6.10-7 4,8.10-7 l (nm) 660 couleur rouge

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 DE (J) 3,0.10-19 4,1.10-19 l (m) 6,6.10-7 4,8.10-7 l (nm) 660 480 couleur rouge bleu

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 DE (J) 4,1.10-19 l (m) 4,8.10-7 l (nm) 660 480 couleur rouge bleu

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 2,86 DE (J) 4,1.10-19 l (m) 4,8.10-7 l (nm) 660 480 couleur rouge bleu

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 2,86 DE (J) 4,1.10-19 4,6.10-19 l (m) 4,8.10-7 l (nm) 660 480 couleur rouge bleu

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 2,86 DE (J) 4,1.10-19 4,6.10-19 l (m) 4,8.10-7 4,3.10-7 l (nm) 660 480 couleur rouge bleu

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 2,86 DE (J) 4,1.10-19 4,6.10-19 l (m) 4,8.10-7 4,3.10-7 l (nm) 660 480 430 couleur rouge bleu violet

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 2,86 DE (J) 3,0.10-19 4,1.10-19 4,6.10-19 l (m) 6,6.10-7 4,8.10-7 4,3.10-7 l (nm) 660 480 430 couleur rouge bleu violet

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 2,86 3,03 DE (J) 3,0.10-19 4,1.10-19 4,6.10-19 l (m) 6,6.10-7 4,8.10-7 4,3.10-7 l (nm) 660 480 430 couleur rouge bleu violet

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 2,86 3,03 DE (J) 3,0.10-19 4,1.10-19 4,6.10-19 4,8.10-19 l (m) 6,6.10-7 4,8.10-7 4,3.10-7 l (nm) 660 480 430 couleur rouge bleu violet

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 2,86 3,03 DE (J) 3,0.10-19 4,1.10-19 4,6.10-19 4,8.10-19 l (m) 6,6.10-7 4,8.10-7 4,3.10-7 4,1.10-7 l (nm) 660 480 430 couleur rouge bleu violet

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 2,86 3,03 DE (J) 3,0.10-19 4,1.10-19 4,6.10-19 4,8.10-19 l (m) 6,6.10-7 4,8.10-7 4,3.10-7 4,1.10-7 l (nm) 660 480 430 410 couleur rouge bleu violet

 compléter le tableau suivant Retour au niveau 2 Nv 3→ Nv 2 Nv 4→ Nv 2 Nv 5→ Nv 2 Nv 6→ Nv 2 Energie émise DE (ev) 1,89 2,55 2,86 3,03 DE (J) 3,0.10-19 4,1.10-19 4,6.10-19 4,8.10-19 l (m) 6,6.10-7 4,8.10-7 4,3.10-7 4,1.10-7 l (nm) 660 480 430 410 couleur rouge bleu violet

Spectres d’émission et d’absorption ▪ La notion de niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène se généralise à tous les atomes et permet de comprendre l’allure des spectres d’absorption et d’émission des atomes de gaz

 Absorption de lumière par de la vapeur de gaz ▪ Lorsqu’un gaz à basse pression est éclairé par une lumière blanche, seulement certaines radiations sont absorbées :  les radiations qui apportent l’énergie juste suffisante pour que certains électrons des atomes passent d’un niveau d’énergie inférieur à un niveau d’énergie supérieur.

Le spectre de la lumière ayant traversé le gaz est alors un spectre de raies d’absorption : il présente des raies noires sur le fond continu du spectre de la lumière blanche  Lorsqu’un atome absorbe un photon, un de ses électrons effectue une transition énergétique vers un milieu supérieur. Un photon peut être absorbé s’il possède exactement l’énergie DE = Ef - Ei

 Emission de lumière par de la vapeur de gaz ▪ Après avoir été « excités » par décharge électrique, par éclairement ou par chauffage, les atomes reviennent spontanément dans leur état fondamental.

▪ En revenant dans leur état initial, les atomes émettent des photons ayant une énergie précise :  l’énergie émise lors du passage d’un niveau d’énergie supérieure à un niveau d’énergie inférieure.

On obtient des rayonnements de longueurs d’onde précise dans un spectre de raies d’émission : des raies fines et colorées se détachent sur un fond noir  Si un électron d’un atome quelconque passe d’un niveau d’énergie élevé vers un niveau d’énergie plus bas, alors un photon est créé. L’atome émet de la lumière dont l’énergie est exactement égale à la différence d’énergie entre les 2 niveaux DE = Ei - Ef