La structure atomique

Pour être capable de comprendre l’évolution du modèle atomique vers le modèle quantique, il est important d’étudier les caractéristiques de la lumière. Car c’est à cause des questions sur la lumière qui a poussé les scientifiques a faire des découvertes sur la structure de l’atome. Le spectre électromagnétique Le spectre électromagnétique est un classement de toutes les ondes électromagnétiques en fonction de leur longueur d’onde et de leur fréquence.

RADIO - MICRO-ONDES – INFRAROUGE - VISIBLE - ULTRAVIOLET - RAYON-X - RAYON GAMMA

« Ronald McDonald is very ugly relpies Grimace. » radio – micro-onde – infrarouge – visible – ultraviolet – rayon-X – rayon Gamma La lumière visible est la partie du spectre qui est détectée par l’œil humain. Un truc mnémonique pour se rappeler des couleur du spectre est ROY G BIV (rouge-orange-jaune-vert-bleu-indigo-violet). Ces différentes composantes (rayons gamma, rayons X, micro-ondes, lumière visible etc.) du spectre électromagnétique varient à cause des différences de longueur d’ondes et de fréquence mais elle voyagent toutes à la même vitesse 3 x 108 m/s. L’énergie est transférée par des ondes électromagnétiques.

Quelles est la relation entre la longueur d’ondes et la fréquence?

La longueur d’onde et la fréquence Dans toutes les exemples, la longueur d’onde et la fréquence sont inversement proportionnelle c’est-à-dire que si la fréquence augmente, la longueur d’onde diminuera. Puisque la longueur d’une onde est plus grande, il nécessite plus de temps pour passer à un point. L’énergie des ondes électromagnétiques (photons) est directement liés à la fréquence de l’onde. Ex: Une onde a haute fréquence transporte une forte quantité d’énergie.

Dans leurs efforts en vue d’élaborer un modèle de l’atome, les scientifiques devraient aussi tenir compte des spectres atomiques. Au début des années 1800, on savait que chaque élément émettait un spectre unique. Pourquoi chaque élément avait-il son propre spectre et pourquoi s’agit-il d’un spectre de raies? Est-ce que ces phénomènes sont liés au mystère de la structure atomique?

Les spectres continus et les spectres de raies Spectre continu Lorsqu’on fait passer un rayon de lumière à travers un prisme, on obtient un arc-en-ciel de couleurs, appelé un spectre continu.  

Toutes les longueurs d’onde (et les fréquences) de la lumière sont représentées.   On appelle se spectre un spectre continu parce que les couleurs la composant sont indistinctes.

Spectre de raies   Lorsqu’un courant électrique passe à travers un tube rempli d’hydrogène ou d’un autre gaz, ceci cause au gaz d’émettre une lumière. Si cette lumière passe à travers un prisme, un spectre ayant des lignes distinctes est produite. On appelle ce spectre un spectre de raies. On appelle aussi ce spectre un spectre d’émission parce que le gaz émet certaines longueurs d’ondes (fréquences). ACTIVITÉ : LE SPECTRE D’ÉMISSION

C’est cette caractéristique distinctive des atomes gazeux qui fournit aux scientifiques une «empreinte» unique pour chaque élément. Chaque élément a son propre spectre de raies unique car chacun de ces éléments renferme des nombres d’électrons différents (niveaux d’énergie différents).

Voici des exemples de spectre d’émission de quelque élément.   Chaque ligne colorée représente une longueur d’onde de la lumière.

ACTIVITÉ 1: Les spectres d’émission

Le modèle atomique de Bohr explique le spectre de raies de l’hydrogène En 1922, Niels Bohr a développé un modèle expliquant le spectre de raies de l’hydrogène. Le modèle de Bohr: Bohr a proposé que les électrons dans les atomes d’hydrogène sont arrangés sur des orbites stables autour du noyau dépendant de leur niveaux d’énergie. Lorsqu’un atome absorbe une radiation, l’électron saute de l’état fondamentale à un niveau plus élevé et instable qu’on appelle état d’excitation. D’après le modèle de Bohr, l’électron perdra éventuellement de l’énergie et se trouvera sur un niveau d’énergie plus bas en relâchant de l’énergie sous forme de lumière.

Postulats de Bohr: Les électrons tournent en orbite autour du noyau. Ils sont maintenus en orbite par une force électrostatique. Les électrons ne peuvent se trouver que sur certaines orbites permises et un électron n’émet pas de rayonnement lorsqu’il est sur l’une de ces orbites. Sur ces orbites permises, l’énergie de l’électron est constante. Ces orbites sont appelées états stationnaires, puisque l’énergie est quantifiée - elle ne peut prendre que certaines valeurs. Par conséquent, les orbites permises peuvent être appelées « états énergétiques ». Un électron n’émet un rayonnement que s’il « tombe » d’un état énergétique élevé à un état plus faible. La variation de l’énergie de l’électron (lors du passage de l’état élevé à l’état faible) est égale à l’énergie du photon émis. De la même façon, un électron n’absorbe un rayonnement que s’il « saute » jusqu’à un niveau énergétique plus élevé. La variation de l’énergie de l’électron est égale à l’énergie du photon absorbé.

Explication du spectre de raies selon Bohr: Les lignes ou raies individuelles qu’on voit sur le spectre de raie sont due aux électrons excités qui sautent à une niveau plus élevé et ensuite retombe à un niveau inférieur en relâchant de l’énergie sous forme de lumière. Les différentes lignes sont due aux différentes orbites ou niveau d’énergie que l’électron peut occupé.

Exemple: l’atome d’hydrogène Dans l’atome d’hydrogène, quand l’électron revient du troisième au deuxième niveau d’énergie, une couleur rouge est émise. C'est un résultat logique puisqu’il parcourt la plus courte distance qui correspond à la plus faible fréquence de la lumière visible, soit le rouge. Si un électron « tombe » du quatrième au deuxième niveau d’énergie, une lumière bleue-verte est émise, du cinquième au deuxième niveau d’énergie, c’est une couleur indigo qui apparaît, et du sixième au deuxième niveau d’énergie, la lumière émise est violette.

Spectres d’émission: applications et occurrences naturelles Une application typique relève de l’astronomie, où un astrophysiciens peuvent déterminer quels éléments composent notre soleil et d’autres étoiles. Comme une étoile est faite de gaz chauds et brillants, la lumière qu’elle émet peut être captée par un télescope et analysée. À partir de spectres d’émission et d’absorption atomique de la lumière, les éléments présents dans l’étoile peuvent être déterminés. ACTIVITÉ 2: Les aurores boréales