Chapitre 5 QUANTIFICATION DES ÉNERGIES ATOMIQUES.

Chapitre5
QUANTIFICATIONDES ÉNERGIES ATOMIQUES.
LesénergiesinternesdesatomesyprennentdesvaleursdiscrètesEn:Nousavonsà
diversesreprisesévoqué cettequantication desénergiesquiestunepropriéténonseule-
mentdesatomesmaisaussidesnoyaux(pages9,15,53 en particulier).Dansce chapitre
nousprésentonsquelquesfaitsexpérimentaux quinousdonnentaccèsàlastructureinterne
del’atome,etnousmontronscommentlescomprendre.
5.1Les spectresatomiques
Lesatomes,excitéspardiversmoyens,sedésexcitentenémettantdesondesélec-
tromagnétiques,rayonsX;lumièrevisibleouinfra-rouge.Lespectredémission dun atome
reète certainespropriétésdesastructure etdesonenvironnement.Létudedes spectres
estdoncparticulièrementinstructive.Dansce paragraphenousnouslimitonsau domaine
visibleouauxdomainesprochedu visible(infra-rouge etultra-violet).Le casdes spectres
Xseraévoquéplusloin.
Les sourceslumineusescourantes sontdedeuxtypes.
²les sourcesthermiques sontobtenuesen portantun corpsréfractaireàhaute
température;ellesémettentun rayonnementauspectre continu oùtouteslesfréquences
sontreprésentées.Lespectredu corpsnoirestun spectrethermiqueparexcellence (cf.
gure3-7,page45).
²les sourceslumineusesàdéchargedanslesquellesun courantélectrique
traverseunevapeuratomiqueproduisentpourleurpartun rayonnementdanslespectre
duquelseulescertainesraies,bien dé…niesenfréquence,sontreprésentées.
5.1.1Les spectresderaies
Leslongueursdondedanslevide,¸;desraies spectralesdémissionatomique
sobtiennentàpartirdetermes spectraux,Tk,quiformentunesuitediscrète caracté-
ristiquedel’atome considéré:¸=¸nmtelleque1
¸nm
=Tn¡Tm.Cetteloiempirique est
laloidecombinaison deRitz(1908).
Linterprétationestlasuivante: l’atomeprésentedesniveauxdénergieEk:Les
transitionsdun niveau dénergiesupérieurEmversun niveau dénergieinférieurEn
peuventsaccompagnerdelémission dun photon;detellestransitions sontappelées
transitionsradiatives.Lafréquence du photonestalorsºnm;l’atome émetteurétant
supposéimmobile, laconservation del’énergieimposehPºnm=Em¡En:Cesontces
transitionsquisontresponsablesdesraiesobservées.Laloide combinaison deRitzsin-
terprètesimplementensupposant¡Ek=chPTk:Parconventionz, lénergieinternede
yNousemployonsleterme"atome"commeune expressiongénériquesusceptiblededésigneraussibien
un atomequunemolécule,voiremêmeun ion.
zLénergieinternedun atome estlasommedel’énergie cinétiquedesélectronsetdel’énergiepotentielle
électrostatiquedeschargesen présence.Lesénergiespotentielles sontdéniesàune constanteadditive
près,choisiedetellesortequelesénergiesinternesdel’atomesoientnégatives.
60 Quantication desénergiesatomiques.
l’atome estnégative, lestermes spectraux,Tksontdoncpositifs.
Touteslesraiesobservées satisfontàlaloide combinaison deRitz,mais,étant
donnésdeuxtermes spectraux quelconques,TmetTn;il neleurcorrespond pasnécessai-
rementuneraiedémission.Sansentrerdanslétudede cespropriétésquidépassentle
programmedelicencey,mentionnonscependantque chaque étatatomique estcaractérisé
parplusieursgrandeursphysiques,parmi lesquellesgurentsonénergie etsonmoment
cinétique,combinaisondumomentcinétiqueorbitaldesélectronsetdeleurs"spin"(cf.
page4).Lephotonémis suivantladirectionetlesensdu vecteurunitaire¡!
u;transporte
une énergiehPºetuneimpulsionhPº
c¡!
uquidépend desafréquence º:Iltransporteaussi
un momentcinétiquequipeutprendrelesdeux valeurs§~¡!
u:Demêmequel’impulsion, le
momentcinétiquetotalestconservélorsdestransitionsatomiques.Certainestransitions
sontdoncinterditesz.
Figure5-1.
ySereporteràlabibliographie,en particulieraulivredeCagnac etPebay-Peyroula.
zEnréalité,cestransitionsrestentpossiblesdansdesconditionsquinesontpascellesquenousconsi-
dérons.
Les spectresatomiques61
Lagure5-1représentelespremiersniveauxdénergiedelatomedelithium.
Leslignesobliquesreprésententlestransitionspermises.Lesnombresindiquentlalon-
gueurdondedanslevide(enAngströms)delatransitioncorrespondante.Lestransitions
permises satisfontcertainesrèglesappelées"règlesdesélection".
5.1.2Lalargeurdesraies
Ilnestpastout-à-faitexactde considérerquelafréquence duneraiespectrale
possèdeunevaleurprécise.Commetoutrayonnement,uneraiespectrale estcaractérisée
parsadensitéspectraleouencoreparsonintensitéspectrale,I(º)(quisexprime en
Wm¡2Hz¡1etestdé…niepage25):Uneraiespectraleprésentedoncune certainelargeur
quipeutêtre"petite"maisquinestpasnulle(cf.gure5-3).Cestlafréquence centrale
quel’on désigne comme"fréquence delaraie".
Lalargeurnaturelle,¢º;estliée autemps,¿;durantlequelun atomeisolé
peutresterdansun étatexcitéy:¢º£¿»1(cf.page25).Lesatomes sontrarement
isolésetdemultiplescausesinterviennentpourélargirlesraiesoptiques.
Dansun gaz,parexemple, lescollisionsdesatomesentre-euxprovoquentune
désexcitation desétatsexcités; leurdurée devie enestdoncréduite etlaraiesentrouve
élargie.
Le¤etDoppleràl’agitationthermique estuneautresource délargissement
desraies.Démontronscettepropriétépourun gaz.
Considéronsun atomedemasseMetdevitesse¡!
vquisedésexcite,sonénergie
internepassantdelavaleurEmàlevaleurEn:Nousposonsº0=(Em¡En)=hP:cest
la "fréquence detransition".
Nousécrivonslaconservation del’impulsionetdel’énergie,en utilisantlesno-
tationsdelagure5-2.Nousnouslimitonsaucasnonrelativistedanslesconditions
usuelles:hPº<< Mc2oùMestlamassedelatome.
Figure5-2.
Dansle casnonrelativiste, l’énergie cinétiquesexprime enfonction del’impulsion
¡!
¼etdelamasseMdelatomesouslaformeEc=¡!
¼2
2M:Laconservation del’énergie et
del’impulsionsécritdonc
¡!
¼2
2M+hPº0=¡!
¼02
2M+hPºet¡!
¼=¡!
¼0+¡!
p
où¡!
p;¡!
¼et¡!
¼0sontlesimpulsionsrespectivesdu photon,delatomeavantetaprèsla
désexcitation.
Enéliminant¡!
¼0entrelesdeuxéquationsde conservationil vient
hPº0=hPº+¡!
p2
2M¡¡!
p¢¡!
¼
M:
yNousadmettrons sansdémonstartioncettepropriétéquejustielamécaniquequantique.
62 Quantication desénergiesatomiques.
Lesrelationsk¡!
pk=hPº=cetk¡!
¼k=Mvoùvestlavitessedel’atomeavantla
désexcitation donnenthPº0=hPºµ1+hPº
2Mc2¡v
ccosµ'hPº³1¡v
ccosµ´soit
º'º0³1+cosµ£v
c´
Latome étantenmouvementpar rapportàl’observateur, lafréquence perçue,º;est
di¤érentedeº0:cestl’e¤etDoppler.Ici, lafréquence ºaété calculée àlordreleplus
basrelativementàv=c(approximation nonrelativiste).
Lespectredémissionestdonc constituédunemultitudedephotonsdefréquences
toutesdi¤érentes,émispardi¤érentsatomes(on parlealorsdélargissement"hétérogène"
delaraie).L’intensitéspectrale estmaximalepourlafréquence º0carlapopulation des
atomesquiontlavitessev'0estnombreuse,ordetelsatomesémettentdesphotonsde
fréquence º'º0:Lenombredatomesdevitessevdevientdeplusen pluspetitaufuret
àmesurequelonconsidèredesvitessesjvjdeplusen plusgrandesy.Lesatomesémetteurs
sefontdeplusen plusrares.Lémissionàlafréquence ºcorrespondantedevientdemoins
enmoinsintense.Lalluredel’intensitéspectrale estdonnée surlagure5-3dansle cas
duneraienaturelledeprol lorentzienetduneraiegaussienne,doriginethermique.
Figure5-3.
lorentziennegaussienne
I(º)/1
(º¡º0)2+(¢º=2)2I(º)/exp"¡Mc2
2kBT
(º¡º0)2
(º0)2#
¢ºD=2º0r2kBT
Mc2£ln2
Lesodiumémetdeuxraiesjaunescaractéristiques,defréquencesvoisinesde5;1¢
1014 Hz:Lamassedun atomedesodiumest23 £1;67 ¢10¡27 kg:Alatempératurede
lasurface solaire(6000 K)lalargeurthermique estdel’ordrede5900 MHz;à500 Kla
largeurthermique est1700 MHzenviron.
Lagitationthermique etl’élargissementdesraies spectralesnestpaslepropredes
gaz.Onconstatedese¤etsanaloguedansles solides.Lerubis,parexemple,estconstitué
dunematrice dalumine(Al2O3)"dopée"pardesionsCr3+en proportion del’ordrede
0,05%enmasse.Laraierougedu rubisestutilisée danscertainslasers;elle estdueàune
transition desionsCr3+;safréquence estº0=4;3£1014 Hzetsalargeurthermique,
¢ºD;dépend delatempératureT(gure5-4).
yEne¤et, ladistribution desvitessesuituneloideMaxwell-Boltzmann (sereporteraucoursde
thermodynamique).
Lexpérience deFrancketHertz63
Figure5-4.
Selonlegraphedelagure5-4, lalargeurdelaraierougedu rubisnexdepas
6£1010 Hzà150 Ketatteint4;8£1011 Hzà350 K:
Laconstantedetempsdedésexcitation del’ionCr3+estenviron3£10¡3s=¿
(cettevaleurestexceptionnellementgrandedansledomaineoptique).Lalargeurnaturelle
dun ionisoléadmetdoncpourvaleurthéorique1=¿'300 Hz:Ilestclairquelalargeur
deraie estessentiellementdoriginethermique.Cettepropriété est trèsgénéraledansles
conditionshabituelles,pourles solides, lesliquidesaussibienquelesgaz.
5.2LexpériencedeFrancketHertz
Lexistence despectresderaiesnestpaslaseulejustication delaquantication
desénergiesdansl’atome.Lexpérience deFrancketHertzde1913 etcelledeFranck
etEinsporn de1920 permirentdemettre enévidence laquantication desénergiesde
l’atomedemercureaumoyen de collisionsélectroniques.
Figure5.5
Desélectrons sontémispare¤et thermo-ionique(émission parun métalchau¤é);
danscesconditions, leurvitesseinitiale estnégligeable.Accélérésparla grilleportée
1 / 18 100%

Chapitre 5 QUANTIFICATION DES ÉNERGIES ATOMIQUES.

La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !