ENERGIE ET LUMIERE

Sommaire

III - MECANISME DE PRODUCTION DE LA LUMIERE

Ce sont les électrons dans les atomes de la matière qui produisent la lumière.

1) STRUCTURE DE L'ATOME , ASPECT ENERGETIQUE

On distingue deux zones dans l'atome : la partie centrale ou noyau de l'atome et la partie située autour du noyau qui est le nuage électronique, où se trouvent les électrons en mouvement.

Tous les électrons ne peuvent pas se mouvoir dans la même région autour du noyau, car ils se gênent (ils sont tous chargés négativement et se repoussent donc). Ils se regroupent donc par couches successives autour du noyau. Chaque couche ne pouvant contenir qu'un nombre limité d'électrons :

Lorsque l'atome est stable, il est dit dans son état fondamental, il possède l'énergie la plus faible possible. Dans ce cas, les électrons sont les moins agités possible, les plus proches possible du noyau.

Ils sont resserrés autour du noyau ; Ils occupent donc les couches électroniques les plus proches du noyau, couches (ou niveaux ou orbites) correspondant à la plus faible énergie. EXEMPLE ET REPRESENTATION SYMBOLIQUE DE L'ETAT FONDAMENTAL :

La grandeur caractéristique qui permet de différentier ces lumières est la longueur d'onde, λ , distance parcourue par l'onde pendant une période, alors qu'une vibration a été effectuée. Toutes les ondes électromagnétiques se déplacent dans l'espace à la même vitesse, donc celles qui vibrent moins vite ont plus de temps au cours d'une période, et vont effectuer un déplacement plus long que celles dont les vibrations sont plus rapides.

2) TRANSFERT DE L'ENERGIE DANS L'ATOME

Supposons que l'on dispose d'un échantillon de matière constitué d'atomes d'hydrogène tous identiques. On peut apporter de l'énergie à cet échantillon, par exemple en le chauffant, en le soumettant à une décharge électrique, ou en envoyant des particules en mouvement pour que se produisent des chocs.

Les atomes d'hydrogène peuvent éventuellement capter cette énergie, mais ils ne le font pas forcément : il faut que l'énergie qu'on leur apporte leur convienne :

Qu'est-ce que ça veut dire ?:

Il faut pour cela que l'énergie apportée soit suffisante pour permettre à l'électron de passer dans le niveau d'énergie supérieure n = 2 au moins ! S'il y en a plus il ne prendra que celle qu'il lui faut pour y passer et laissera le surplus d'énergie, s'il y en assez pour passer au niveau n = 3 il pourra y passer etc.

On dit que l'électron effectue une transition entre deux niveaux d'énergie. Bien sur ceci signifie que l'électron s'agite de manière plus rapide, plus désordonnée et plus éloignée du noyau !. Il est dans un état excité instable. Il ne peut pas rester dans cet état !. Il va très vite et spontanément revenir dans son état stable en libérant l'énergie qu'il avait emmagasinée sous forme de lumière : Il émet un photon d'énergie ΔE = h C/λ.

L'électron de l'atome a donc finalement transformé l'énergie apportée en lumière !

PRENONS L'EXEMPLE DE L'ATOME d'HYDROGENE :

 

Quelle que soit la transition envisagée, on connaît la valeur de l'énergie de chaque niveau de l'atome d'hydrogène on peut donc calculer la valeur de l'énergie libérée et en déduire la longueur d'onde de la radiation qui aura été émise par l'atome H.

Image

En ce qui concerne les radiations visibles ce sont les radiations de la série de BALMER , elles correspondent au retour de l'électron vers le niveau 2 d'énergie E 2

  • La raie Hα est celle correspondant à la transition de n = 3 vers n = 2 et donne λα = 656,2 nm visible dans le rouge orangé.
  • La raie Hβ correspond à la transition de n = 4 vers n = 2 et donne λβ = 486 nm
  • La raie Hγ correspond .........5 ..... ...... λγ = 434 nm. etc.

En 1 : Le spectre de la lumière blanche contient toutes les longueurs d'ondes visibles.

En 2 et 3 : Les spectres d'émission de l'atome d'hydrogène (un électron) et de l'atome d'hélium (deux électrons) sont des séries de raies colorées sur un fond noir correspondant à une absence de lumière.

Ces raies sont émises par les électrons lorsque ceux-ci passent d'une orbite excitée à une orbite d'énergie inférieure, et leur longueur d'onde dépend de la différence d'énergie de ces deux orbites. Pour l'hydrogène, on a représenté la série de Balmer : alpha, bêta, gamma et delta.

En 4  : Pour le spectre d'absorption de l'hydrogène (4), les longueurs d'onde absorbées (raies noires) sont égales aux longueurs d'onde émises: cette fois, les électrons absorbent l'énergie lumineuse pour passer d'un état à un autre, d'énergie supérieure.

 

3) EXEMPLE DU MERCURE Hg

Dispositif d'analyse de la lumière avec un prisme :

L'analyse de la lumière émise par une lampe à vapeur de mercure donne les résultats suivants :

La lumière émise par des atomes tous identiques est une lumière constituée de raies bien précises.

Elle constitue la carte d'identité de l'atome qui l'a créée puisqu'elle est déterminée par la structure électronique de cet atome.

A deux structures électroniques différentes correspondent des transitions différentes donc des raies différentes et une lumière émise différente.

 

4) UNE RAIE EMISE EST AUSSI UNE RAIE QUI PEUT ETRE ABSORBEE

Parce qu'elle correspond à une transition possible pour l'électron de l'atome, si une radiation de longueur d'onde λ peut être émise , elle peut aussi être absorbée et elle correspond à la transition inverse pour l'électron.

Spectre d'absorption de l'hydrogène  :

 

5) LES CORPS CHAUDS

Les corps chauds deviennent luminescents lorsque leur température est suffisante. Ils émettent une lumière constituée d'une infinité de radiations qui se succèdent sans discontinuité, dont la décomposition donne un spectre continu. Suivant leur température, l'intensité des radiations varie avec leur longueur d'onde : L'intensité lumineuse est maximale pour une longueur d'onde qui est différente suivant la température du corps chaud qui émet cette lumière. Le corps apparaît de la couleur qui correspond à ce maximum d'intensité.

Sur la courbe ci-contre on voit qu'à basse température le corps apparaîtra plutôt rouge (grandes longueurs d'ondes) alors qu'à haute température, il apparaîtra plutôt bleu (faibles longueurs d'ondes). Il est à noter également qu'un corps chaud émet des rayonnements de plus forte intensité qu'un corps plus froid.

 

 

< Nature de la lumière | La lumière des étoiles : leur classification >