spectroscopie optique - spectroscopie electronique

D11 - SPECTROSCOPIE OPTIQUE - SPECTROSCOPIE
ELECTRONIQUE
Repères
Cette activité s’appuie sur les textes, destinés aux professeurs, des deux « Compléments
scientifiques » : « CS2 - Niveaux d’énergie et spectre d’un atome » et «CS3 - Quantification des
niveaux d’énergie et spectroscopie électronique ».
Elle permet de montrer aux élèves l’existence d’une autre technique que la spectroscopie optique pour
déterminer les niveaux d’énergie d’un atome ou d’un ion : la spectroscopie électronique. Cette
technique est expliquée dans le texte « Les expériences de Franck et Hertz » proposé aux élèves au
début de l’étude du cours sur « L’atome et la mécanique de Newton »1.
En comparant le spectre de perte d’énergie de la spectroscopie électronique et le diagramme d’énergie
de la spectroscopie optique, les élèves pourront vérifier que pour un même niveau d’énergie, les deux
techniques donnent le même résultat.
L’énergie du niveau métastable E2 ne peut pas être déterminée directement à partir de l’énergie des
photons émis ou absorbés dans le cas de la spectroscopie optique. Elle pourra être calculée à partir de
l’énergie de deux photons mettant en jeu un 3ème niveau. On pourra alors vérifier que cette énergie E2
apparaît dans le spectre électronique.
Cette activité peut être donnée en exercice.
Travail proposé
La spectroscopie optique permet d’obtenir une grande précision sur les énergies d’un atome.
Mais cette détermination est indirecte en ce sens qu’elle s’appuie sur l’hypothèse de l’existence de
quanta d’énergie h.
La spectroscopie électronique est réalisée par excitation des atomes par un faisceau d’électrons
d’énergie donnée. On mesure leur perte d’énergie après collision avec les atomes. Cette méthode ne
conduit pas à des mesures aussi précises que la spectroscopie optique, mais elle offre l’avantage
d’une mise en évidence directe de la quantification.
L’énergie d’ionisation d’un atome est l’énergie minimale qu’il faut fournir à cet atome au repos et
dans son état fondamental, pour lui arracher un électron avec une vitesse nulle.
Un état d’énergie métastable est un état excité d’un atome qui a une durée de vie relativement longue
parce que, pour cet état, l'émission ou l'absorption d'un photon est "interdite", c'est à dire de très
faible probabilité.
Données :
Constante de Planck : h = 6,6210-34 J.s
Célérité de la lumière dans le vide : c = 3,0108 m.s-1
Charge élémentaire : e = 1,610-19 C.
En annexe sont donnés, pour l’atome d’hélium, le spectre électronique de perte d’énergie et le
diagramme des énergies obtenu par spectroscopie optique.
Ce texte est contenu dans le document « D9 – L’atome et la mécanique de Newton : ouverture au monde
quantique ».
1
I. Questions à propos du texte
1. Expliquer la deuxième phrase du texte « Mais cette détermination ….énergie h » en montrant en
quoi la spectroscopie optique est une méthode indirecte, et pourquoi on lui attribue le qualificatif
« optique ».
2. Pourquoi la spectroscopie électronique est-elle une méthode directe de mesure des énergies ?
II. Comparaison des deux techniques expérimentales
1. Montrer que l’observation du diagramme d’énergie, obtenu par spectroscopie optique, et celle du
spectre électronique permet de rendre compte de la quantification de l’énergie de l’atome d’hélium.
2.1. À partir de l’observation du spectre et du diagramme, attribuer les niveaux E2, E3, E4 …E8 aux
énergies correspondantes du spectre électronique.
2.2. Remplir le tableau ci-dessous avec les valeurs des énergies déterminées sur le diagramme
d’énergie de la spectroscopie optique à partir des longueurs d’onde dans le vide des raies du spectre
optique et sur le spectre électronique en utilisant l’échelle de l’axe d’énergie.
Niveaux
Énergie (en eV)
spectroscopie optique
Énergie (en eV)
spectre électronique
E3
E5
E8
3.1. A votre avis, le spectre optique de l’atome d’hélium permet-il de déterminer directement l’énergie
du niveau métastable E2 ?
3.2. En utilisant les énergies associées aux photons, déterminer l’énergie E2 en eV.
3.3. L’énergie de ce niveau métastable peut-elle être déterminée directement par spectroscopie
électronique ? La réponse sera justifiée.
3.4. En comparant les réponses aux questions 3.3. et 3.4., retrouve-t-on la différence de précision dont
il est question dans le texte ?
4.1. À partir du diagramme d’énergie, déterminer l’énergie de première ionisation de l’atome
d’hélium.
4.2. Utiliser ce résultat pour justifier le fait qu’au delà de 24,5 eV, le spectre électronique devienne un
spectre continu.
Spectroscopie optique
Diagramme énergétique de l’atome d’hélium
eV
Ei = 24,58
E8
E7
E6
667,8
706,58
E5
E4
E3 = 20,61
2058,2
1083,0
E2
59,16
E1 = 0
Les valeurs écrites en bleu sont les longueurs
d’onde, exprimées en nm, des raies d’émission.
On a représenté seulement les premiers niveaux de
l’atome d’hélium et son énergie de première
ionisation.