Rayonnement électromagnétique Dr. Ammar Azioune ENSB 26/10/2014 Chem001.

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1 Rayonnement électromagnétique Dr. Ammar Azioune ENSB 26/10/2014 Chem001

2 1.Définition de la longueur d’onde et de la fréquence selon la forme ondulatoire de l’énergie. 2.Comprendre la relation entre la longueur d’onde et la fréquence dans le phénomène de la radiation électromagnétique 3.Comprendre la relation entre les longueurs d’onde et les fréquences des couleurs “sélectionnées” sur le spectre électromagnétique 4.Notions sur la théorie du quantum 5.Spectres d’absorption et d’émission 6.Exemples Objectifs Décrire le rayonnement électromagnétique: I.Forme ondulatoire II.Forme corpusculaire I.Forme ondulatoire

3 1.Source d’onde: pierre jetée dans une étendu d’eau initialement stable. 2.Le mouvement vertical de chute de la pierre entraine les molécules d’eau à la surface du point d’impact. 3.Les molécules d’eau, après l’impact, oscillent verticalement autour d’une position d’équilibre pour créer des vaguelettes. 4.Le mouvement oscillatoire des molécules d’eau devient à son tour une source de perturbation et entraine l’oscillation des molécules d’eau au voisinage du point d’impact, et ainsi de suite… Vagues d’eau

4 Forme ondulatoire de l’énergie 1.Chaque crête de la corde bouge horizontalement 2.Les particules de la corde bouge verticalement 3.L’énergie fournie pour secouer la corde bouge horizontalement 4.Secouer la corde avec un rythme différent change l’apparence de « la vague » en terme de la hauteur de la crête, son creux, son amplitude, mais pas sa forme globale. crête creux Position initiale de la corde

5 Plusieurs données permettent de caractériser une onde. On compare généralement les ondes à des vagues, des oscillations, pour en comprendre les principes essentiels : L’amplitude correspond à la hauteur d’une « vague ». La longueur d’onde ( ) est la distance entre les crêtes de deux « vagues » successives. La longueur d’onde d’une onde radio est de l’ordre du mètre, celle d’une microonde est de l’ordre du centimètre. La fréquence ( ) désigne le nombre de « vagues » par seconde. Elle est inversement proportionnelle à la longueur d’onde. La puissance est liée à l’amplitude : plus une « vague » est haute, plus elle est puissante. Caractérisation d’une onde

6 Ondes électromagnétiques

7 L’onde est une vibration qui se déplace: La particularité de l’onde électromagnétique est qu’elle ne se voit pas : elle n’a pas besoin d’un milieu physique (l’eau par exemple) pour se manifester. Il s’agit d’une perturbation, d’une modification locale du champ électromagnétique terrestre. L’amplitude d’une onde électromagnétique, et donc son énergie, diminue au fur et à mesure qu’on s’éloigne de la source émettrice. Les ondes électromagnétiques sont produites en faisant circuler un courant électrique variable à haute fréquence dans un conducteur métallique. Les électrons y font de très rapides allers-retours, ce qui génère un champ électromagnétique.

8 Spectres électromagnétique Ondes radio Micro-ondes Infrarouge Visible Ultraviolet Rayons X Rayons 

9 Spectre Visible Le spectre visible est constitué par l’étroite bande de longueurs d’onde auxquelles est sensible l’œil humain. À l’intérieur de ce domaine, les colorations du spectres correspondent aux différentes longueurs d’onde: Coloration visibleLongueur d’onde représentative (nm) Longueur d’onde limites (nm) Violet410 400   425 Bleu470 425   490 Vert520 490   575 Jaune580 575   585 Orangé600 585   645 Rouge650 645   700 IR  700 nm UV  400 nm

10 La théorie des quanta (quantum) et le spectre d’émission de l’hydrogène La théorie des quanta, développée par Planck, puis par Einstein, pour expliquer certains phénomènes comme le rayonnement du corps noir ou l’effet photoélectrique, admet que l’aspect ondulatoire du rayonnement doit être complété par un caractère corpusculaire.

11 La fréquence ou la longueur d’onde de la lumière détermine sa couleur Schéma de principe d’un spectromètre à émission collimateur prisme Gaz chauffé Film enregistreur Spectres d’émission Série de raies spectrales

12 Spectres d’émission excitation emission E2 (état excité) E1 (état fondamental) L’énergie électrique ou thermique est absorbée par les atomes, qui passent ainsi d’un état fondamental stable à un état excité instable. Retombant dans l’état fondamental, ils restituent sous forme lumineuse l’énergie absorbée.

13 Effet photoélectrique UV photoélectrons

14 Spectre d’émission de l’hydrogène On distingue 4 raies principales: 300800 350 400450 500 650 UV VisibleIR (nm) Formule de BALMER

15 Exemple: Spectre d’émission du sodium Dans le cas du sodium (la couleur orangée des éclairages d'autoroutes et de tunnels), il existe par exemple deux raies à 589,00 et 589,59 nm. Spectre d'émission du sodium les spectres d'absorption, on aura comme spectre "le complémentaire" du spectre d'émission, avec en fond le spectre de la lumière utilisée pour réaliser l'expérience (lumière solaire). Spectre d'absorption du sodium Ce spectre est obtenu par irradiation de la matière et l'on observe un spectre de raies sombres sur fond de spectre thermique (lumière solaire).

16 Spectre d’émission de l’hydrogène excitation emission E2 (état excité) E1 (état fondamental) Les cercles sur le schéma représentent les différents niveaux d’énergie; nommés: séries (1 pour Lyman, 2 pour Balmer, etc…) Chaque série contient un certain nombre définit de raies (ex. La série de Balmer au niveau d’énergie n=2 comporte 4 raies d’émission.

17 Spectre d’émission de l’hydrogène Série (n 1 )12345 NomLymanBalmerPaschenBrackettPfund DomaineUVVisibleIR

18 Spectre d’émission de l’hydrogène Formule de RYDBERG

19 Spectre d’émission de l’hydrogène Longueurs d’onde de la raie limite de la série de BALMER