Première S www.sciencesphysiques.info TP de Sciences Physiques nÀ5 (étude de documents) Lumière et niveaux dÊénergie atomiques Document 1 : Jean Michel Courty Professeur à l'Université Pierre et Marie Curie (Paris) À la fin du XIXème siècle, pour expliquer ou prévoir les résultats d'expériences comme la dispersion de la lumière, les physiciens utilisent le concept d'onde électromagnétique. À un rayonnement lumineux monochromatique donné, ils associent une fréquence ν, donc une longueur d'onde dans le vide λ. Toutes deux sont reliées par l'équation λ × ν = c, où c = 3,00.108 m.s-1 est la célérité de l'onde dans le vide. Cependant, cette théorie « ondulatoire » appliquée à un corps noir (un four chauffé à très haute température et émettant de la lumière) est en complète contradiction avec les mesures expérimentales. Pour tenter d'expliquer ces dernières, Max Planck suggère en 1900 que l'échange d'énergie entre un rayonnement à la fréquence ν et de la matière est quantifié, c'està-dire qu'il ne se fait que par un quantum (ou « paquet » d'énergie) à la fois. Ce quantum a pour expression hν, où la constante h qui apparaît pour rendre compte des résultats de l'expérience vaut 6,62.10-34 J.s : elle porte aujourd'hui le nom de constante de Planck. La proposition de Planck est contraire à tout ce que l'on sait de la lumière à l'époque : elle semble résulter d'un tour mathématique artificiel plutôt que d'une réalité physique. À l'inverse de ses collègues, Albert Einstein comprend vite l'ampleur de ses conséquences. Il est « conduit à se demander si les lois de la production et de la transformation de la lumière n'ont pas également la même structure et si la lumière, elle aussi, est constituée de quanta d'énergie de ce type ». Il forge dès 1905 le concept de corpuscule de lumière, qui sera plus tard nommé « photon ». Document 2 : d'après http://astro-canada.ca/fr/a3500.html « Dans le modèle de Bohr, l'atome est constitué d'électrons chargés négativement, qui orbitent autour d'un noyau chargé positivement. Cependant, les orbites des électrons sont situées à des distances précises du noyau et correspondent à des énergies bien déterminées (quantifiées). D'après Bohr, lorsqu'un corps est chauffé, certains de ses électrons absorbent de l'énergie et ont tendance à passer rapidement d'une orbite rapprochée à une orbite plus éloignée du noyau atomique. Chaque électron revient ensuite de lui-même à son orbite d'origine en réduisant son énergie, de façon à la faire correspondre exactement à celle de son orbite d'origine. Bohr propose que c'est sous la forme de petits « paquets d'énergie » tels que décrits par Planck et Einstein, c'est-à-dire sous la forme de photons et donc de lumière, qu'un électron se débarrasse de son surplus d'énergie ou absorbe son surplus d'énergie. » TP de Physique n°5 : lumière et niveaux d’énergie atomiques Document 3 : Max Planck et Albert Einstein en 1927 Page 1 / 2 Première S www.sciencesphysiques.info Document 4 : atomes et photons Comment le photon permet-il d'explorer la structure de l'atome ? La figure ci-contre représente les spectres d'émission et d'absorption dans le domaine des radiations visibles d'un gaz sous faible pression formé d'hydrogène monoatomique (c'est-à-dire d'atomes non liés en molécules). Pour interpréter le spectre de l'hydrogène, le physicien suédois Niels Bohr a adopté, en 1913, les hypothèses suivantes : dans un atome d'hydrogène, l'électron ne peut accéder qu'à certaines couches électroniques. À chaque couche correspond une énergie déterminée pour l'atome, appelée niveau d'énergie. Pour changer de niveau, l'atome doit gagner ou perdre en un seul paquet l'énergie strictement égale à l'écart entre le niveau initial et le niveau final. un atome peut changer de niveau en émettant ou en absorbant de la lumière. Dans ce cas, il doit libérer ou absorber un photon et un seul. La figure suivante est un diagramme représentant les premiers niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène. Pour chaque niveau « n » représenté, on a indiqué l'énergie que doit acquérir l'atome pour passer du niveau 1, appelé niveau fondamental, au niveau « n ». Questions (les réponses doivent être justifiées) 1. La théorie ondulatoire de la lumière modélise-t-elle correctement le rayonnement des corps noirs pour les grandes longueurs d’ondes ? Et pour les courtes ? A quelle théorie faut-il alors faire appel ? E1n ×10-18J 0 -0,13 -0,24 Niveau 4 Niveau 3 -0,54 Niveau 2 -2,17 Niveau 1 Etat fondamental 2. Quelle est, en fonction de la fréquence du rayonnement, l’énergie transportée par un photon ? En déduire l’expression de cette énergie en fonction de la longueur d’onde. 3. Observe, sur le site « ostralo.net » (onglet animations physique / optique) les spectres d’absorption et d’émission de l’hydrogène et compare-les. Argumente. 4. Dans le cas d’une émission de lumière, l’atome passe-t-il à un niveau d’énergie supérieure ou inférieure ? Même question s’il s’agit d’une absorption de lumière par l’atome. 5. L’énergie d’un photon correspondant à une radiation de longueur d’onde λ a pour expression : c E = h× avec h = 6,63.10-34 J.s et c = 3,00.108 m.s-1 λ Calcule les énergies des photons associés à chacune des radiations visibles du spectre de l’hydrogène. 6. Identifie sur le diagramme les changements de niveaux responsables des raies rouge et bleue claire. 7. Les deux autres radiations mettent en jeu le niveau 2. En utilisant les longueurs d’ondes données par le spectre, complète le diagramme avec deux autres niveaux supérieurs. TP de Physique n°5 : lumière et niveaux d’énergie atomiques Page 2 / 2