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3 Analyse de la composition du sol martien. Tu dois devenir capable de : Savoir 1. expliquer le mécanisme de l’émission de lumière par les atomes excités ; 2. décrire le modèle de l’atome selon Bohr ; 3. citer des exemples d’application de l’émission lumineuse par les atomes ; 4. expliquer comment on peut déterminer la composition chimique d’astres très lointains. Savoir faire 5. schématiser la structure d’un atome dans le modèle de Bohr à l’aide d’un tableau des éléments. spectre continu spectre de raies transition d’énergie 769785722 orbite électronique niveau d’énergie spectroscopie - 19 - Modèle de l'atome selon Bohr 1. Comment savoir quels atomes on trouve dans l’univers ? 1.1. Sojourner : le robot qui a analysé le sol de la planète Mars. Arrivée sur la planète Mars le 4 juillet 1997, la sonde spatiale Pathfinder a déposé sur le sol de la planète un robot qui a analysé la nature chimique du sol martien : c’est Sojourner. Celui-ci était doté d’un instrument d’analyse appelé APXS (Alpha Proton X-ray Spectrometer). Il s’agit d’un appareil qui émettait des rayons en direction de la matière qu’il analysait. En fonction du comportement de l’échantillon analysé, il pouvait alors déterminer la nature chimique des substances qu’il rencontre. Nous allons expliquer comment fonctionnait cet instrument dans le cadre de ce chapitre. 1.2. Comment le professeur découvrit le “ Calystène ”. Calys En analysant la lumière émise par l’ “ étoile mystérieuse ”, le professeur Calys découvrit le Calystène, métal encore inconnu et aux propriétés étonnantes2. Nous allons voir, dans le cadre de ce chapitre, qu’il est tout à fait possible de détecter tous les atomes connus présents dans tout astre brillant dans le ciel, même s’il s’agit d’une étoile extrêmement lointaine près de laquelle il est impossible d’aller. Le professeur Calys Tintin n’a pas suivi notre cours de sciences Le rayonnement est constitué d’un flux de particules qui ne sont rien d’autres que des noyaux d’atomes He. Ce rayonnement est produit par certains phénomènes liés à la radioactivité. 2 Relire l’aventure de Tintin, “ L’étoile mystérieuse ”. 1 - 20 - 769785722 Modèle de l'atome selon Bohr 2. Absorption d’énergie à l’intérieur des atomes. 2.1. Analogie. On attache un caillou au bout d’un élastique. On fait tourner le caillou au bout de l’élastique, à la manière d’une fronde. Qu’observe-t-on quand le mouvement de rotation du caillou n’est pas très énergique ? Qu’observe-t-on quand la rotation du caillou est entraînée par un mouvement très énergique ? 2.2. Cas des atomes. Les atomes peuvent absorber l’énergie en eux-mêmes. A l’intérieur du noyau de l’atome ; cette absorption d’énergie se manifeste sous la forme d’agitation des particules constitutives du noyau. Il faut disposer de quantités d’énergie extrêmement importantes pour atteindre le noyau de l’atome ; cette quantité d’énergie n’est pas disponible dans les phénomènes chimiques et biologiques. On parle ici d’énergie nucléaire. Dans les électrons qui circulent autour du noyau ; quand on fournit de l’énergie à un atome, certains électrons peuvent accepter cette énergie. Cela provoque une rotation de ces électrons à une plus grande distance du noyau (voir l’analogie avec la fronde). 2.3. Émission d’énergie par les atomes. INFORMATIONS. Info 1. Un principe physique fondamental et d’observation courante veut que : TOUT SYSTEME PHYSIQUE TEND À PERDRE L’ÉNERGIE QU’IL CONTIENT DE MANIERE À SE RETROUVER DANS UN ETAT DE PLUS GRANDE STABILITÉ. niveau excité perte d’énergie apport d’énergie Recherche dans la vie quotidienne des exemples d’application de ce principe fondamental de la physique. Info 2. niveau fondamental Lorsqu’un électron a acquis de l’énergie, il tend à rendre cette énergie. L’émission d’énergie se fait sous la forme de lumière. Info 3. La quantité d'énergie transportée par la lumière est variable: elle dépend de la couleur de la lumière. IR rouge orange jaune vert bleu indigo violet UV l u m i è r e v i s i b l e faible énergie grande Une lumière qui transporte beaucoup d'énergie est une lumière violette (ou U.V.); une lumière qui transporte peu d'énergie est une lumière rouge (ou I.R.). 769785722 - 21 - Modèle de l'atome selon Bohr Info 4. Un prisme peut décomposer la lumière pour en faire apparaître les composantes. Celles-ci se manifestent sous la forme d’un arc-en-ciel quand la lumière décomposée est blanche. Soleil prisme On parle d’un spectre lumineux continu parce que toutes les couleurs sont présentes. En réalité, la lumière blanche contient les couleurs de l’arc-en-ciel. Le prisme ne fait que séparer les différentes composantes de la lumière blanche. spectre continu L’arc-en-ciel est formé d’une infinité de couleurs. La tradition est cependant de distinguer 7 couleurs : le rouge, l’orange, le jaune, le vert, le bleu, l’indigo et le violet. Questions. A partir des informations données dans les paragraphes précédents, réponds aux questions et complète le tableau ci-dessous : Énergie acceptée très faible très grande S C H E M A Énergie rendue couleur de la lumière 1. Réalise une série de 7 schémas (du même type que le premier) représentant des atomes H qui acceptent des quantités de plus en plus grande d’énergie. 2. Sur les 7 dessins, ajoute des indications pour montrer ce que se passe lors de l’absorption d’énergie. 3. Sur les 7 dessins, ajoute des indications pour montrer ce que se passe lors de l’émission de l’énergie. 4. Indique 7 couleurs correspondant aux différentes quantités d’énergie dans l’encadré double du bas du tableau. 5. Que pourra-t-on observer lorsque les 7 atomes perdent leur énergie en même temps ? Quelle sorte de lumière est émise dans ce cas ? 2.4. Conclusions. Lors de l’absorption d’énergie, les électrons des atomes sont propulsés vers des orbites électroniques plus externes. Lors de la ré-émission d’énergie, les électrons retombent sur des orbites plus basses en émettant de la lumière. Chaque sorte de lumière correspond à une transition énergétique dans l’atome. La grandeur de la transition énergétique détermine la couleur de la lumière émise. - 22 - 769785722 Modèle de l'atome selon Bohr 3. Observation de la lumière émise par les atomes excités. 3.1. Expérience. Information Lors de l’émission de lumière par les atomes excités, on observe que toutes les couleurs de l’arc-en-ciel n’apparaissent pas : certaines couleurs manquent. Plutôt que d’observer des spectres continus, on observe des spectres de raies. L’image ci-dessous présente trois fois le spectre de raies de l’atome H à différentes intensités lumineuses. Pour des raisons de lisibilité dans ce document, l’image est présentée en négatif (les raies lumineuses colorées sont les lignes sombres) QUESTIONS Lors de l’observation de la lumière émise par des atomes X, on n’observe pas les couleurs de lumière suivantes : jaune, vert et indigo. 1. Que peut-on en conclure sur les transitions énergétiques dans l’atome X. 2. Cette observation est-elle compatible avec le modèle de l’atome selon Rutherford-Chadwick ? 3. Quel document le professeur Calys tient-il en main dans l’illustration de la page 20 ? Quelle découverte vient-il de faire grâce à ce document ? Relis éventuellement l’aventure de Tintin “ L’étoile mystérieuse ”. 769785722 - 23 - Modèle de l'atome selon Bohr 4. Modèle de l'atome selon Bohr. Pour pouvoir interpréter cette expérience, Niels Bohr (1885-1962) proposa l'idée que les électrons NE PEUVENT PAS circuler sur n'importe quelle orbite: leur trajectoire est fixée à des orbites bien déterminées. 4.1. Les orbites électroniques. Bohr imagine que les électrons circulent sur des orbites circulaires, bien déterminées autour du noyau. Des expériences quantitatives lui permettent de déterminer la taille de ces orbites. Chaque orbite est désignée par un numéro ou par une lettre (K, L, M, N, O, P, Q). Dans l'atome d'Hydrogène, l'orbite K se trouve à une distance R1 du noyau = 0,529.10-10 mètres. Les orbites suivantes sont à des distances telles que: Rn = R 1 . n 2 où n est le numéro de l'orbite. Les électrons ne peuvent pas s'arrêter entre deux orbites. Questions: - Peux-tu expliquer de manière claire la raison pour laquelle des atomes gazeux excités émettent de la lumière? - Pourquoi cette lumière ne contient-elle pas toutes les couleurs? Chaque atome excité émet certaines couleurs caractéristiques de l'élément. Il s'agit toujours d'un mélange de couleurs. Dans certains cas, l'une ou l'autre raie domine par son intensité. L'analyse du spectre lumineux émis par les atomes de sodium excités montre plusieurs raies. Parmi celles-ci, une raie orange domine par son intensité. Les lampes d'éclairage des autoroutes sont des lampes à vapeur de sodium. Dans un premier temps (période de chauffe), on vaporise le sodium présent dans la lampe. Quand il est transformé en vapeurs, il émet alors de la lumière orange. Les enseignes lumineuses publicitaires rouges contiennent des atomes de néon excités. Ceux-ci émettent une raie rouge très caractéristique et de forte intensité. 5. Les niveaux d'énergie. Chaque orbite correspond à une quantité d'énergie contenue dans l'électron qui l'occupe. L'électron sur l'orbite K est celui qui contient le moins d'énergie. Pour le faire monter sur l'orbite L, il faut lui fournir une certaine quantité d'énergie; il contiendra plus d'énergie sur cette orbite. On peut parler indifféremment d'orbite électronique ou de niveau d'énergie. Les différentes couleurs de lumière observées dans les spectres de raies sont émises lors de transitions de niveaux d'énergie élevés vers des niveaux d'énergie plus bas. - 24 - 769785722 Modèle de l'atome selon Bohr n= ..... ..... n=5 n=4 ..... O N n=3 M Paschen n=2 L Balmer n=1 K Lyman On peut observer plusieurs séries de raies correspondant à des transitions vers les niveaux 1, 2, 3, ... Dans le spectre de l'élément hydrogène, chacune de ces séries de raies porte le nom du scientifique qui les a étudiées. Les transitions les plus énergétiques se trouvent dans les raies de Lyman. La lumière obtenue n'est pas visible à notre oeil : toutes ces raies sont dans l'ultraviolet. Les raies de Balmer correspondent à de la lumière visible. Analyse chimique à distance. La technique spectroscopique présentée ici a trouvé une utilisation particulièrement importante en astronomie. Les scientifiques étudient la lumière émise par le soleil, les autres étoiles et les planètes. On y découvre également des raies, caractéristiques de la présence de tel ou de tel élément. De cette manière, il est possible de décrire la composition chimique des astres sur lesquels nous n'irons jamais. L'hélium a ainsi été découvert dans le soleil avant même d'être trouvé sur Terre par analyse spectroscopique de la lumière solaire. Sherlock Holmes au laboratoire. De la même manière, il est possible de réaliser des analyses chimiques de substances en très petites quantités en observant le spectre de raies émis par un échantillon. Chaque élément est caractérisé par quelques raies très spécifiques (il existe des catalogues de spectres). Si, dans le spectre observé, je repère une raie caractéristique, je peux affirmer que l'échantillon contient cet élément. Des quantités infimes d'échantillon suffisent pour cette technique d'analyse. C'est élémentaire! L’image ci-contre présente les spectres de raies de quatre éléments, en regard d’un spectre continu (en haut). On observe que chaque atome est caractérisé par une série de raies lumineuses qui permettent de l’identifier avec certitude. 769785722 - 25 - Modèle de l'atome selon Bohr Questions: Dans l'aventure de Tintin “ L'étoile mystérieuse ”, quelle découverte le professeur Calys décide-t-il de fêter en offrant des caramels mous aux autres personnages? Comment fait-il cette découverte? Pourquoi le sujet de devoir suivant ne sera-t-il jamais donné? Sur une feuille de papier à entête de l'école, dessiner un schéma de l'atome de potassium; le rayon de la première orbite aura un diamètre de 5 cm, les autres orbites seront dessinées à l'échelle; le noyau est bien visible et schématisé à sa vraie dimension à l'échelle au centre de l'atome. 6. Quelques règles pour la construction des atomes. Un atome est formé d’un noyau autour duquel circulent un certain nombre d’électrons. La structure du noyau et la disposition des nucléons n’intéressent que le physicien nucléaire. Par contre, la façon dont les électrons sont agencés autour du noyau est importante pour la chimie. 6.1. Le nombre d’électron par niveau d’énergie est bien fixé. Chaque orbite électronique peut contenir un nombre d’électron bien défini. Plus l’orbite est grande, plus le nombre d’électron qu’elle peut accueillir est grand. Le modèle établi par la branche théorique de la chimie (la chimie quantique) permet de connaître le nombre de places pour les électrons sur chaque orbite. Cette théorie dépasse largement le niveau de ce cours, aussi nous contenterons-nous d’en noter les résultats. Dans une représentation simple, on pourrait dire que la place disponible sur une petite orbite est relativement limitée ; on ne pourra donc pas y disposer beaucoup d’électrons. Inversement, une grande orbite permet d’accueillir beaucoup d’électrons. Le nombre d’électron par orbite se calcule par la formule: Nombre maximum d’e- sur l’orbite n = 2 . n2 - 26 - Exemples: Numéro de l’orbite Nombre max d’électrons 1 2 2 8 ... ... 5 50 769785722 Modèle de l'atome selon Bohr 6.2. Les électrons se disposent toujours sur le niveau d’énergie le plus bas possible. Les électrons ont tous tendance à se trouver sur une orbite où leur niveau d’énergie est le plus bas possible, c’est-à-dire sur l’orbite la plus basse possible. La plupart des tableaux des éléments indiquent la disposition des électrons sur les différents niveaux d’énergie de l’atome. Il faut remarquer qu’à partir de l’élément K, la disposition des niveaux d’énergie ne répond plus à la règle simple décrite dans ce cours. 7. Comment Sojourner a déterminé la composition du sol martien. Le robot Sojourner était muni d’un instrument appelé APXS (alpha proton X-ray spectrometer). Celui-ci émettait des rayons en direction de l’échantillon de roche martienne à analyser. Les particules “ bousculent ” les électrons des atomes qu’elles rencontrent ; les atomes rencontrés sont donc excités. La lumière émise par les atomes excités est du type rayons X (X-ray). Un détecteur Le détecteur APXS de Sojourner analysait les “ couleurs ” de rayons X émis. Ces informations étaient transmises à la Terre où l’on pouvait, par comparaison avec des spectres connus, déterminer la composition des roches martiennes. Les premiers résultats de cette analyse ont été publiés dans la revue Science en 1997 et sont décrits ci-dessous3. Élément Oxygène [O] Sodium [Na] Magnésium [Mg] Aluminum [Al] Silicium [Si] Phosphore [P] Soufre [S] Chlore [Cl] Potassium [K] Calcium [Ca] Titane [Ti] Chrome [Cr] Manganèse [Mn] Fer [Fe] Nickel [Ni] Total 3 A-2, Sol A-4, Sol A-5, Sol Masse % 42.5 3.2 5.3 4.2 21.6 1.7 0.5 4.5 0.6 0.2 0.4 15.2 100.0 Masse % 43.9 3.8 5.5 5.5 20.2 1.5 2.5 0.6 0.6 3.4 0.7 0.3 0.4 11.2 100.0 Masse % 43.2 2.6 5.2 5.4 20.5 1.0 2.2 0.6 0.6 3.8 0.4 0.3 0.5 13.6 0.1 100.0 A-3, rocher "Barnacle Bill" Masse % 45.0 3.1 1.9 6.6 25.7 0.9 0.9 0.5 1.2 3.3 0.4 0.1 0.7 9.9 100.0 A-7, rocher "Yogi" Masse % 44.6 1.9 3.8 6.0 23.8 0.9 1.7 0.6 0.9 4.2 0.5 0.0 0.4 10.7 100.0 Source : http://mars.jpl.nasa.gov/MPF/ops/apx-res2-comp.html, le 21/01/2001 769785722 - 27 - Modèle de l'atome selon Bohr 8. Application à la composition des étoiles. Le document ci-contre présente le spectre lumineux de deux étoiles (Star A et Star B) ainsi que les spectres lumineux de différents éléments. 1. L’étoile A contient-elle de l’hydrogène ? 2. L’étoile B contient-elle de l’hydrogène ? 3. Quelle est la composition de l’étoile A ? 4. Quelle est la composition de l’étoile B ? 5. Quels sont les éléments que l’on ne trouve pas dans aucune de ces étoiles ? - 28 - 769785722
