L'intéraction lumière-matière

Chap. 5 : Interaction lumière-matière

I – Emergence de la physique quantique

→ Activité Emergence de la physique quantique

Le modèle ondulatoire de la lumière permet d’expliquer la propagation de la lumière, mais ne suffit pas pour décrire les échanges d’énergie entre la matière et la lumière. Ainsi, à la fin du XIXe siècle, certains phénomènes restent inexplicables dans le cadre du modèle ondulatoire de la lumière (rayonnement du corps noir, effet photoélectrique, spectres atomiques).

Cela conduit Max Planck à affirmer en 1900 que les échanges d’énergie entre la matière et la lumière ne peuvent pas prendre une valeur quelconque, mais qu’ils sont quantifiés. Ils ne peuvent se faire que par « paquets » d’énergie contenant chacun une énergie bien déterminée.

Dès 1905, Albert Einstein interprète ce résultat en indiquant que la lumière peut être considérée comme un flux de particules identiques, les photons. Le photon est un quantum d’énergie lumineuse.

II – Quantification des niveaux d’énergie de l’atome

A – L’énergie du photon

Le photon est la particule associée à la propagation des ondes de même nature que la lumière. Sa masse est nulle et sa vitesse égale à celle de la lumière. Un faisceau lumineux se décrit comme un flux de photons.

Une radiation monochromatique de fréquence [pic 1] est constituée de photons qui transportent le quantum (ou « paquet ») d’énergie :        [pic 2]        où h est la constante de Planck (en J.s)

A une radiation de fréquence [pic 3], on associe une longueur d’onde [pic 4]. Une radiation monochromatique de longueur d’onde [pic 5] est donc constituée de photons d’énergie        [pic 6].

Le Joule est une unité beaucoup trop grande pour exprimer les énergies du photon ou de l’atome. On utilise couramment une autre unité : l’électronvolt : 1 eV = e J = 1,6.10-19 J.

B – Postulat de Bohr : niveau d’énergie de l’atome

Pour expliquer les spectres atomiques, Niels Bohr postule en 1913 que l’énergie d’un atome d’un élément donné est quantifiée. Cela signifie qu’elle ne peut pas prendre n’importe quelle valeur, mais uniquement certaines valeurs caractéristiques de l’élément. Ces valeurs sont appelées niveaux d’énergie électronique de l’atome. Chaque niveau d’énergie est caractéristique de l’élément.

Pour chaque élément, il existe un niveau d’énergie minimal. L’état correspondant est appelé état fondamental.

Les autres états sont nommés états excités et correspondent à des niveaux d’énergie plus élevés.

Les différents niveaux d’énergie peuvent être représentés sur un diagramme énergétique :[pic 7]

                                        états excités

                                        état fondamental

        diagramme énergétique simplifié du mercure

C – Interprétation énergétique des spectres atomiques

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