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T4 CHAP2: Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière
I. Modèle ondulatoire de la lumière
I.A Les ondes électromagnétiques
Une onde électromagnétique est une perturbation des
propriétés électriques et magnétiques d’un milieu qui se
propage.
On classe les ondes électromagnétiques en domaines selon leur
fréquence
notée
v
ou leur
longueur d’onde
dans le vide notée λ.
I.B La lumière
On appelle «
lumière
» les ondes électromagnétiques
visibles par l’œil humain.
Elles appartiennent au domaine visibles caractérisé par des
intervalles de longueurs d’ondes et de fréquences:
l ≈[400 nm; 800 nm] ou v ≈[4⨯1014 Hz ; 8⨯1014 Hz]
On peut définir des domaines de longueurs d’onde et des domaines de fréquences pour domaines de fréquences pour les différentes couleurs du spectre de la lumière blanche.
I.C. Relation entre fréquence et longueur d’onde
Une onde électromagnétique périodique ou
radiation est caractérisée par sa période temporelle T et sa période spatiale ou longueur
d’onde 𝝀
La période T est l’inverse de la fréquence v :
ν = 1/T
La célérité c de la lumière étant le rapport de la
distance parcourue par la lumière sur la durée du parcours, on peut écrire:
c=λ/T
La longueur d’onde l est la distance parcourue
par l’onde pendant la période T.
On a donc la relation suivante pour la propagation
d’une onde électromagnétique dans le vide:
𝐜 = 𝝀 × v
Célérité de la lumière dans le vide: c =3,00.108 m.s-1
;
Longueur d’onde : λ exprimée en mètre (m);
Fréquence : v exprimée en hertz (Hz)
À savoir ! :warning:
Plusieurs, Situation, de spectre d'émission sont à savoir :warning:
Situation 2
:
spectre d’émission continu
obtenu par dispersion de la lumière d’origine thermique spectre caractéristique de la lumière blanche émise par un corps chaud
Situation 3
: Par lecture sur le boitier:
l = 650 nm.
La lumière émise par un laser est
une lumière
monochromatique
, donc caractérisée par une valeur unique de
longueur d’onde.
Situation 1
:
Spectre d’émission de raies
(raies lumineuses colorées sur un fond noir)
II. Modèle particulaire de la lumière
II.B Le photon
Dans le modèle particulaire, une radiation de
fréquence n peut être considérée comme un ensemble de particules transportant chacune un
quantum d’énergie E.
Ces particules, de masse nulle, sont appelées
« photons ».
Une radiation de fréquence v ou de longueur d’onde dans
le vide l est un ensemble de photons transportant chacun l’énergie E telle que:
E = hν = h=c /λ
Energie du photon: E exprimée en joule (J)
Constante de Planck: h = 6,63 ⨯10-34 J.s
Fréquence: v en Hz
Célérité de la lumière: c= 3,00 ⨯108 m.s-1
Longueur d’onde : λ en m.
II.C Dualité onde -particule
La lumière peut être décrite par deux modèles
-Un modèle particulaire où la lumière est
constituée de photons
Les deux modèles coexistent: on parle de
dualité onde–particule
-Un modèle ondulatoire où la lumière est une onde
électromagnétique;
Le comportement de la lumière est expliqué selon les cas, soit par le modèle ondulatoire comme pour les couleurs d’une bulle de savon (dues aux interférences lumineuses) Soit par le modèle particulaire comme pour l’émission de lumière de lampes à vapeur de gaz)
II.A Quantum d’énergie
Le modèle ondulatoire de la lumière ne permet pas
d’expliquer toutes ses propriétés, en particulier son interaction avec la matière.
La lumière n’échange pas avec la matière n’importe
quelle valeur de l’énergie mais des multiples entiers d’une quantité élémentaire appelée
quantum d’énergie E.
III. Interaction lumière-matière
III. A Quantification des énergies de l’atome
L’énergie d’un atome ne peut prendre que
certaines valeurs : elle est
quantifiée
.
Les niveaux d’énergie d’un atome
peuvent être représentés sur
un diagramme des niveaux
d’énergie
L’unité de l’énergie couramment utilisée est
l’électronvolt (eV) :
1 eV = 1,6⨯10-19 J
Dans son
état fondamental,
l’atome est à
l’état le plus stable
stable
, son
énergie
est alors
minimale
Chaque atome a un diagramme d’énergie qui lui est propre. Le diagramme permet de prévoir les échanges d’énergie qui peuvent avoir lieu entre la lumière et la matière (à l’échelle atomique)
III. C Emission d’un photon
Un atome dans un état excité peut restituer de
l’énergie en émettant un photon d’énergie:
𝚫𝐄 = | 𝐄𝐟 – 𝐄𝐢 | = 𝐄𝐩𝐡𝐨𝐭𝐨𝐧 = 𝐡𝛎 = 𝐡 𝐜 / 𝝀
Lorsque l’atome émet un
photon, son énergie diminue.
Il passe dans un état moins
excité, voire fondamental
III. B Absorption d’un photon
Un atome peut absorber un photon si l’énergie du photon correspond exactement à l’écart entre deux niveaux Ei et Ef :
𝚫𝐄 = 𝐄𝐟 − 𝐄𝐢 = 𝐄𝐩𝐡𝐨𝐭𝐨𝐧 = 𝐡𝛎 = 𝐡 𝐜 / 𝝀
Lorsque l’atome absorbe un photon, son énergie augmente.
Il passe dans un état excité.
Avec Ei , énergie initiale et Ef énergie finale :
Ef>Ei
III. D Interprétation des spectres d’émission et
d’absorption
L’émission d’un photon se traduit par
une raie colorée
de longueur d’onde
: 𝜆 = ℎ𝑐 / |𝐸𝑓−𝐸i|
sur le
spectre d’émission de l’atome.
A chaque raie d’absorption correspond une raie
d’émission: elles sont liées à la même
transition énergétique.
L’absorption d’un photon se traduit par
une raie sombre
de longueur d’onde
𝜆 = ℎ𝑐 / |𝐸𝑓−𝐸i|
sur le
spectre d’absorption
de l’atome.
Les spectres d’absorption et d’émission d’un
atome sont
complémentaires