Physique atomique

Physique - 7 ème année - Ecole Européenne
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Chapitre n° 9 : PHYSIQUE ATOMIQUE
I) Les spectres optiques
1)
:
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.
2) 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.

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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 ?
II) Modèle atomique
1)
:
Modèle planétaire
a) 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 ?
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" sur le noyau !
b) Le système Terre-satellite :
On sait que l'énergie mécanique EM du système Terre-satellite est constituée de l'énergie
cinétique du satellite EC et de son énergie potentielle de gravitation EPg : EM = EC + EPg
Pour modifier l'énergie du système, le milieu extérieur doit exercer un travail.
Nous savons que la variation d'énergie mécanique du système entre deux instants, est
égale au travail des forces extérieures qui agissent sur le système entre ces instants :
∆EM =
→
)F(W
ext

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Exemple : Lors de sa rentrée dans l'atmosphère, la navette spatiale perd de l'énergie (elle
ralentit et elle descend) par frottement sur les hautes couches de l'atmosphère.
La variation d'énergie mécanique dépend de l'intensité de la force extérieure et de la
durée pendant laquelle elle s'exerce.
Lorsqu'un système macroscopique interagit avec l'extérieur, l'énergie du système peut
varier de façon continue.
Les valeurs physiquement permises de l'énergie d'un système macroscopique forment
une suite continue (ou continuum).
c) Système atomique :
On considère un atome formé d'un noyau chargé positivement et d'un électron unique,
chargé négativement (atome hydrogénoïde).
Classiquement, l'électron interagit électriquement avec le noyau (on peut négliger les
interactions de gravitation).
L'énergie EM du système noyau-électron est constituée de l'énergie cinétique de l'électron
EC et de son énergie potentielle életrique EPé :
EM = EC + EPé
Or, un certain nombre d'expériences (effet photoélectrique, spectres d'émission et
d'absorption …) nous ont montré que les échanges d'énergie entre l'atome et le milieu
extérieur (par rayonnement, par exemple) n'étaient pas continus.
Lorsque le système noyau-électron échange de l'énergie avec l'extérieur, son énergie
varie de façon discontinue.
Les valeurs physiquement permises de l'énergie d'un système atomique forment une suite
discontinue (ou discrète).
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 Théorie Quantique des Champs.
:
Un atome est un système dont le comportement est bien décrit par la mécanique quantique.
Bien qu'un atome ne puisse être décrit par la mécanique classique on peut faire un parallèle
avec le système Terre-satellite.
Comme le système "Terre-satellite", un atome peut se trouver dans différents états
d'énergie.
Un état est une façon d'être du sytème qui est susceptible d'une description par
l'intermédiaire de valeurs que peuvent prendre les paramètres qui caractérisent cet état.
Comme pour le système "Terre-satellite", les différents états de l'atome peuvent être
caractérisés par un certain nombre de paramètres ; en particulier, il apparaît naturellement
dans le développement des mathématiques de la Mécanique Quantique appliquée à l'atome,
des nombres qui prennent des valeurs discontinues : nombres quantiques.

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4) Diagramme d'énergie
On peut représenter schématiquement les différentes valeurs que peut prendre l'énergie
électronique d'un atome :
:
- on pose : l'énergie du système dans son état "ionisé"
(électron à l'infini, au repos) est nulle : Ei = 0 J
- dans un état "lié", lorsque l'électron est lié au noyau,
l'énergie prend des valeurs négatives.
- l'état fondamental est l'état pour lequel l'énergie
prend une valeur minimale E1 = Emin.
- il peut exister différents états électroniques excités,
pour lesquels l'énergie Ee est telle que : E1 < Ee < Ei.
- dans un état "libre" l'électron n'est pas lié à l'atome et
peut avoir n'importe quelle vitesse, l'énergie totale du
système peut donc prendre n'importe quelle valeur.
- La répartition des valeurs de l'énergie des états liés
est caractéristique de l'élément chimique.
Lors d'un choc violent entre atomes, lorsqu'on
provoque une décharge électrique au ceint du gaz
d'atomes ou lorsqu'un rayonnement approprié traverse
le gaz, certains atomes peuvent passer de l'état
fondamental d'énergie Einitial à un état plus ou moins
excité d'énergie Efinal > Einitial :
Lors de celle transition, l'atome absorbe une énergie :
∆E = Efinal – Einitial > 0
Parmi toutes les radiations contenues dans le rayonnement, ne sont absorbées que celles
dont les fréquences ν sont : E = h.ν = ∆E = Efinal – Einitial (spectre cannelé d'absorption)
Lorsque des atomes sont excité par un procédé quelconque, certains atomes peuvent
passer d'un état excité d'énergie Einitial à un état moins excité d'énergie Efinal < Einitial :
Lors de celle transition, l'atome cède une énergie : ∆E = Efinal – Einitial < 0
Les atomes cèdent leur énergie sous forme de radiations de fréquences ν telles que :
E = h.ν = -- ∆E = -- (Efinal – Einitial) (spectre de raies d'émission)
Pour un type d'atome donné, le spectre d'émission et le spectre d'absorption coïncident.
5) Application de l'analyse spectrale
En étudiant le spectre de la lumière provenant d'un corps céleste, les astronomes sont
capables d'apprendre une énorme quantité de choses sur ce corps. En effet, le spectre d'un
objet peut être considéré comme une sorte de carte d'identité : en l'analysant avec soin, on
peut déterminer de nombreux paramètres de l'objet, comme sa température, sa composition
chimique ou sa vitesse.
:
III) Structure électronique de l'atome
1)
:
Cas particulier de l'atome d'hydrogène
a) Etude expérimentale du spectre de l'hydrogène :
:
Expérimentalement, le spectre de l’atome d’hydrogène est obtenu en plaçant devant la
fente d’un spectrographe un tube scellé contenant de l’hydrogène sous faible pression et
dans lequel on provoque une décharge électrique. Cette décharge dissocie les molécules
et excite les atomes d’hydrogène. Lors du retour des atomes des divers états excités vers
les états d’énergie inférieure, il y a émission de rayonnement électromagnétique.

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Ces spectres ont été découverts par LYMAN, BALMER, PASCHEN, BRACKETT et
PFUND. Ils ont montré que les longueurs d’onde des raies émises vérifiaient la relation,
appelée "règle de RITZ" : λ
1 =
c
ν
= 10967776.(
2
1
n1
-- 2
2
n1)
Le nombre 10967776 (en m--1) est la constante de Rydberg et 1/λ est le nombre d'onde.
n1 et n2 sont deux nombres entiers positifs non nuls et tels que n2 > n1.
Pour n1 = 1, on obtient une série de raies appelée série de Lyman (dans l'U.V.), pour
n1 = 2, on a la série de Balmer (dans le visible) …
Dans la série de Balmer, les radiations sont principalement situées dans le visible et sont
de plus en plus rapprochées vers le violet :