Physique atomique

Chimie - 6 ème année - Ecole Européenne
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Chapitre n° 1 : STRUCTURE ELECTRONIQUE DE L'ATOME
I) Notion d’onde électromagnétique
1)
:
Description
a) Représentation schématique :
:
Une onde ou radiation électromagnétique constitue la propagation de la vibration d'un
champ électrique et d'un champ magnétique.
A un instant donné, on peut représenter un état du champ électrique en différents points
de l’axe de propagation (direction le long de laquelle se propage l’onde) :
b) Célérité (ou vitesse) de propagation :
Par définition (convention) la célérité d’une radiation dans le vide est :
c0 = 299792458 m.s−1.
Nous utiliserons la valeur approchée c0 ≈ 3,00.108 m.s−1.
Dans les milieux transparents, la célérité de la lumière est plus faible que dans le vide.
Dans un milieu homogène la lumière se propage en ligne droite.
c) Fréquence et longueur d’onde :
- La fréquence ν d'une radiation est indépendante du milieu de propagation.
La fréquence ν ou la période T d'une radiation caractérise cette radiation ("couleur").
On a la relation : T = 1/ν et ν = 1/T, T en s et ν en Hz
- La longueur d'onde λ d'une radiation dépend du milieu dans lequel elle se propage.
Nous noterons λ0 la longueur d'onde d'une radiation lumineuse dans le vide et λ sa
longueur d'onde dans un milieu transparent.
direction de propagation
champ électrique
propagation vers
l'observateur
Représentation schématique de la
propagation d'une onde monochromatique polarisée

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Dans le vide on a la relation : λ0 = c0.T ou λ0 = c0/ν.
Dans un milieu transparent on a : λ = c.T ou λ = c/ν.
λ0 ou λ en m, T en s et ν en Hz
La fréquence des ondes visibles est comprise entre 1,25.106 Hz = 1,25 MHz pour le rouge
et 2,50.106 Hz = 2,50 MHz pour le violet.
Dans le vide ou dans l'air, pour les radiations visibles on a :
4.10−7 m = 400 nm (violet) < λ0 < 8.10-7 m = 800 nm (rouge)
2) Les spectres optiques
a) Les sources thermiques :
:
Une source thermique est constituée d'un matériau réfractère porté à haute température.
Ce matériau peut être un métal conducteur comme le filament de tungstène des
ampoules électriques, ou un isolant comme l'oxyde de cérium des manchons dans les
lampes à gaz.
Les sources thermiques émettent un rayonnement réparti de façon continue sur toutes les
fréquences.
Le spectre continu dépend essentiellement de la température (rayonnement du corps noir)
et peu du matériau utilisé : c'est précisément pour interpréter de façon thermodynamique
le rayonnement du corps noir qui a conduit Planck à introduire les échanges discontinus
d'énergie entre rayonnement et matière.
Lorsqu'on "disperse" la lumière émise par une source thermique, à l'aide d'un réseau ou
d'un prisme, on obtient un spectre continu :
On a représenté sur la courbe ci-dessous, la puissance rayonnée par unité de fréquence
(dP/dν), par un corps porté à haute température, en fonction de la fréquence ν., pour
différente températures du corps. Le spectre visible est superposé :
On voit qu'un corps porté à 1000 K (≈ 720 °C) n'est pas visble,car il rayonne
uniquement dans l'I.R., alors qu'un corps porté à 2500 K (≈ 2220 °C)
apparaîtra blanc car il émet dans tout le spectre visible.

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b) Les sources à décharges :
Une source à décharge est constituée d'un matériau à l'état de vapeur dans lequel on fait
passer un courant électrique.
La vapeur est, soit en équilibre avec le liquide ou le solide dans une enceinte fermée et
chauffée comme dans les lampes spectrales, soit constamment renouvelée et formée
d'atomes arrachés à une électrode comme dans un arc électrique.
Les sources à décharge n'émettent de rayonnement que pour certaines fréquences
particulières et caractéristiques du matériau utilisé.
Lorsqu'on "disperse" la lumière émise par une source à décharge, on obtient un spectre
de raies d'émission :
On peut également placer une ampoule contenant
une vapeur, sur le trajet d'un faisceau de lumière
blanche :
Après dispersion, on obtient un spectre cannelé d'absorption.
On a reprèsenté schématiquement dans le visible, le spectre d'émission (raies brillantes
sur fond noir) et le spectre d'absorption (raies sombres sur fond irisé lumineux) pour le
mercure :
Les raies brillantes du spectre d'émission coïncident exactement avec les raies sombres
du spectre d'absorption.
Comment interpréter les spectres de raies ou les spectre cannelés ?
3) Dualité onde-corpuscule du rayonnement électromagnétique
a) Phénomène de diffraction :
:
Lorsqu'on observe une source de lumière ponctuelle (lampadaire éloigné ...) à travers un
voilage (rideau de tulle), la source occupe le centre d'une fine croix lumineuse irisée.
On observe le comportement d'un faisceau laser lorsqu'on le fait passer à travers une
ouverture circulaire de plus en plus petite.
Lorsque la lumière traverse une petite ouverture, elle ne se propage pas en ligne droite au
voisinage de celle-ci : c'est le phénomène de diffraction.

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Si l'ouverture à une forme circulaire, la
tache de diffraction présente une symétrie
circulaire (cercles concentriques).
Si l'ouverture est une fente
verticale de largeur a, la tache
de diffraction "s'étale" sur une
ligne horizontale comme le
montre le schéma :
La théorie ondulatoire des radiations
électromagnétiques (due à Maxwell) explique
complètement le phénomène de diffraction.
b) Effet photoélectrique :
En 1887, Hertz remarque qu'en illuminant, avec de la lumière U.V., une plaque chargée
négativement, celle-ci se décharge lentement.
L'extraction d'électrons, obtenue sous l'action d'une
irradiation, constitue l'effet photoélectrique.
Le dispositif expérimental est constitué d'une ampoule
cellée sous vide dans laquelle sont placée deux
électrodes et entre lesquelles on applique une très forte
tension continue ajustable.
Différents paramètres interviennent dans cette expérience :
- intensité I du courant proportionnel au nombre d'électrons
extraits de la cathode
- tension UAC appliquée aux bornes de l'ampoule et qui sert à
accélérer les électrons extraits.
- longueur d'onde des rayons U.V. dont on montre qu'elle est
liée à l'énergie transportée par les photons
- puissance P des rayons U.V. dont on montre qu'elle est liée
au nombre de photons envoyés sur la cathode.
En faisant varier les paramètres indépendamment les uns des autres, l'étude
expérimentale de l'effet photoélectrique montre que le rayonnement U.V. est constitué de
corpuscules transportant chacun une énergie E = h.ν et que les échanges d'énergie avec
la matière (cathode) sont quantifiés.
c) Quantum et photon :
Pour expliquer la répartition de l'énergie électromagnétique transportée par le
rayonnement émis par un corps chauffé ("corps noir"), Planck, en 1900, est amené à
postuler la quantification de l'énergie d'une onde électromagnétique :
L'énergie électromagnétique ne peut s'échanger que par paquet : ∆E = h.ν
ν est la fréquence et h est la constante de Planck : h = 6,62.10−34 J.s.
L'étude des spectres d'absorption et d'émission de lumière par la matière (spectroscopie)
montre que les échanges d'énergie entre la matière et le rayonnement sont quantifiés.
Dans un spectre de raies d'émission, on observe des raies brillantes sur fond noir.
Etude du spectre discontinu d'un gaz d'atomes :

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Les spectres d'absorption présentent un continuum brillant sur lequel se découpent des
raies sombres.
Exemple des nuages interstellaires :
Pour expliquer la nature des échanges entre la matière et le rayonnement, lors de l'effet
photoélectrique et en spectroscopie, Einstein postule, en 1905, l'existence du photon qui
se déplacent à la vitesse c de la lumière, a une masse nulle, une charge nulle et possède
une énergie E = h.ν.
d) Conclusion :
L'ensemble de ces observations montrent que les ondes électromagnétiques ont un
comportement corpusculaire (manifestation quantique) lors des interactions lumière-
matière (émission, absorption), et un comportement ondulatoire lors des interactions
lumière-lumière (interférences, diffraction).
Pour comprendre la nature des échanges d'énergie entre la matière et le rayonnement
(échange par paquets ∆E = h.ν), nous allons étudier la structure électronique de l'atome.
II) Modèles atomiques
1)
:
Modèle planétaire
Problèmes posés :
:
- S'agit-il d'un phénomène identique à celui de l'émission d'onde électromagnétique par une
antenne quand des électrons sont accélérés ?
- Pourquoi les spectres peuvent-ils être discontinus ?
Notion de modèle.
Les premiers modèles imaginés (début du XX°) faisaient appel à des comparaisons
astronomiques (Rutherford).
Mais, lorsqu'on applique les lois de la mécanique et de l'électromagnétisme classique,
l'analogie avec un système terre-satellite pose des problèmes :
- toutes les valeurs de l'énergie devraient être prises par les ondes émises.
- en rayonnant l'électron perdrait de l'énergie et "tomberait" systématiquement sur le noyau !
2) Modèle de Bohr
Pour expliquer les phénomènes observés Bohr propose, en 1913, de postuler que :
:
- Dans l'atome, les électrons gravitent autour du noyau sans rayonner.
- L'énergie électronique d'un atome ne peut prendre que certaines valeurs discontinues :
E1, E2, ..., Ep, En.
Quand un atome passe d'un état initial d'énergie Ei à un état final d'énergie Ef telles que
Ei > Ef, il émet un photon d'énergie : Eif = h.νif = Ei − Ef.
Quand un atome passe d'un état initial d'énergie Ei à un état final d'énergie Ef telles que
Ei < Ef, il ne peut le faire qu'en absorbant un photon d'énergie : Eif = h.νif = Ef − Ei.
3) Notion sur le modèle quantique
En 1900, Planck, en 1905 Einstein, en 1913 Bohr, en 1923 De Broglie, de 1926 à 1935
Born, Einstein, Heisenberg, Schrödinger; ensuite Fermi, Dirac, Feynman et beaucoup
d'autres élaborent la Mécanique Quantique puis la mécanique Quantique Relativiste ou
Théorie Quantique des Champs.
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