Spectres Et Niveaux D'energies

Spectres et niveaux d’énergie

Type d’activité : Activité documentaire

Conditions de mise en œuvre : (application, durée indicative : 1h30 min, le document est composé de deux parties, une partie sur le spectre électromagnétisme, une autre partie sur le spectre solaire et les niveaux d’énergie de l’atome d’Hydrogène).

Pré- requis :

• Savoir que la lumière blanche est composée de lumières colorées.

• Connaître la relation entre la fréquence et la longueur d’onde.

• Connaître l’expression de l’énergie d’un photon en fonction de la fréquence.

• Savoir différencier un spectre d’émission et un spectre d’absorption.

NOTIONS ET CONTENUS COMPETENCES ATTENDUES

Interaction lumière matière : émission et absorption.

Quantification des niveaux d’énergie de la matière

Modèle corpusculaire de la lumière : le photon.

Energie d’un photon.

Relation E = h dans les échanges d’énergie.

Spectre solaire.

Interpréter les échanges d’énergie entre lumière et matière à l’aide du modèle corpusculaire de la lumière.

Connaître les relations =c/ et E = h et les utiliser pour exploiter un diagramme de niveaux d’énergie.

Expliquer les caractéristiques (forme, raies) du spectre solaire.

Compétences transversales : (préambule du programme et socle commun)

- Rechercher, extraire, organiser des informations utiles.

- Raisonner, argumenter, démontrer.

- Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l’aide d’un langage adapté.

- Histoire des Sciences

Mots clés de recherche : matière, couleurs, spectres, lumière, absorption, émission, niveaux énergie, raies, photon, fréquence, longueur d’onde

Provenance : Académie de Strasbourg

Adresse du site académique : http://www.ac-strasbourg.fr/disciplines/physchim

Le spectre électromagnétique

Notre compréhension de la nature de la lumière fait un bond de géant dans la seconde moitié des années 1800 avec l'aide du physicien écossais James Clerk Maxwell. Maxwell s'intéresse à une foule de problèmes scientifiques dont l'électricité et le magnétisme. Il commence à publier des articles sur ces sujets en 1855, et synthétisera l'ensemble en 1873 dans son livre intitulé Treatise on Electricity and Magnetism (ou Traité sur l'Électricité et le Magnétisme, en français), un classique en la matière. En 1863, Maxwell découvre qu'en manipulant ses équations sur l'électricité et le magnétisme, il est capable d'extraire une valeur qui correspond à la vitesse de propagation de la lumière. Surpris par un tel résultat, il commence alors à soupçonner que lumière, électricité et magnétisme ne font qu'un. Poursuivant sur sa lancée, il développe davantage ses équations sur l'électricité et le magnétisme et aboutit à la conclusion que la lumière doit être une onde, comme l'avait démontré Thomas Young plus de cinquante ans auparavant, mais une onde électromagnétique, c'est-à-dire possédant une composante électrique et magnétique, ce qui est en soit une découverte capitale. De plus, il n'y a aucune raison, selon lui, pour qu'il n'existe pas d'ondes électromagnétiques invisibles au-delà du spectre de la lumière visible et de l'ultraviolet. Par malheur, Maxwell ne vivra pas assez longtemps pour vérifier si sa prévision s'avère exacte car il meurt en 1879, peu de temps après avoir élaboré sa théorie. En 1888, ce sera pourtant la consécration pour lui : le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz parvient en effet à démontrer que l'électricité peut être transmise par ondes électromagnétiques, que celles-ci voyagent à la vitesse de la lumière et que leur longueur d'onde est un million de fois plus grande que celles de la lumière visible et de l'ultraviolet. Hertz donne à ces nouvelles ondes le nom « d'ondes radio ». Elles joueront plus tard, on s'en doute bien, un rôle de premier plan dans le développement du télégraphe et de la radio.

Thomas Young (1773–1829) James Clerk Maxwell (1831-1879) Heinrich Hertz (1857-1894)

Physicien brittannique réputé pour avoir mis en évidence le caractère ondulatoire de la lumière. Outre sa maitrise de 13 langues, il s’interessera à de nombreux domaines de la science, des mathématiques, à la médecine en passant par l’égyptologie. Grand scientifique du XIXème siècle, les travaux de Maxwell sur la théorie de l’électromagnétisme ont été à la base des plus grandes théories du XXème siècle. Il a également contribué à la théorie ondulatoire de la lumière, à l’étude de la cinétique des gaz et à la théorie des couleurs. Physicien allemand spécialiste de l’électromagnétisme. Comme Maxwell il s’est interessé au caractére ondulatoire de la lumière, notamment dans le domaine des ondes radiomètriques. Il est à l’origine de la télégraphie et de la téléphonie.

Aujourd'hui, le spectre électromagnétique est connu pour s'étendre bien au-delà des couleurs de l'arc-en-ciel. Le spectre électromagnétique est continu mais les scientifiques l'ont divisé de façon artificielle pour des raisons de commodité. Les divisions ont surtout été établies à l'aide des techniques utilisées pour détecter les différentes longueurs d'onde. Par exemple, les limites du domaine de la lumière visible sont définies par ce que nos yeux peuvent détecter. La portion du spectre électromagnétique

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