Chap 2E - TP05 - Niveaux d`énergie

Première S www.sciencesphysiques.info
TP de Physique n°5 : lumière et niveaux d’énergie atomiques Page 1 / 2
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 = 3,00.10
8
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'est-
à-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. »
Document 3 : Max Planck
et Albert Einstein en 1927

Première S www.sciencesphysiques.info
TP de Physique n°5 : lumière et niveaux d’énergie atomiques Page 2 / 2
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 ?
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 :
λ
×= c hE avec h = 6,63.10
-34
J.s et c = 3,00.10
8
m.s
-1
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.
-2,17
-
0,54
-0,13
-0,24
E
1n
×10
-18
J
Niveau 2
Niveau
4
Niveau 3
Niveau 1
Etat fondamental
0