La lumière présente deux aspects complémentaires selon les conditions d'expérience : elle apparaît soit ondulatoire, d’où le concept de longueur d'onde, soit corpusculaire, d'où le concept de photon.
1.1. La lumière, onde électromagnétique
Les ondes du micro-ondes, de la radio ou des rayons X sont des ondes électromagnétiqueschamps (électrique et magnétique) associés ⊥. Les ondes lumineuses sont de cette même nature. Seule la gamme de fréquences est différente (doc 1).
Dans le vide (comme dans l'air), toutes les ondes électromagnétiques se propagent à la célérité c = 3,00.108 m.s-1.
doc 1. Le spectre visible est une petite partie du domaine des OEM ↓
1.2. Relation entre fréquence et longueur d'onde
La relation a déjà été donnée pour le cas général des ondes périodiques. Il suffit de considérer la célérité c de la lumière dans l'air ou le vide (plutôt que v) et la fréquence 𝜈 de l'onde (plutôt que f).
\( \displaystyle\mathsfit {λ\ =\ \frac{{c}}{𝜈}}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit {c}\ en\ mètres\ par\ seconde\ (\mathsf {m.s^{-1}})}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit{λ}\ en\ mètres\ (m)}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit {𝜈}\ en\ hertz\ (Hz)}\)
doc 2. Retenir 400 nm < λ visible < 800 nm ↓
Noter : entre le doc 1 et le doc 2, les couleurs sont inversées car à une moindre fréquence correspond une plus grande longueur d'onde 😊
La lumière peut arracher les électrons aux atomes d'un métal mais l'expérience montre qu'il existe un seuil de fréquence : si ν < νseuil, aucun électron n’est émis, quelle que soit l’intensité ou la durée. Pour expliquer l’effet photoélectrique (doc.3), Einstein développe l’idée de quantification de l’énergie lumineuse, introduite par Planck. Le quantum d’énergie est appelé photon.
L’énergie de la lumière est transportée par des particules, les photons. Chaque photon transporte un quantum d’énergie proportionnel à la fréquence de la radiation considérée :
\( \displaystyle\mathsfit {E\ =\ \mathsf{h}{ν}}\) ou \( \displaystyle\mathsfit {E\ =\ \frac{{\mathsf{h}c}}{λ}}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit {E}\ en\ joules\ (\mathsf {J})}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit {ν}\ en\ hertz\ (Hz)}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit{λ}\ en\ mètres\ (m)}\)
avec la constante de Planck h = 6,63 × 10–34 J.s et c = 3,00 × 108 m.s–1
doc 3. des électrons émis grâce à la lumière ↓
effet photoélectrique
L'énergie d'un photon s'exprime en joules (J) ou en électrons-volts (eV). L'équivalence s'écrit :
1 eV = 1,60.10-19 J
Exercice : Un photon a une énergie E de 2,11 eV.
1. Donner cette énergie E en joules.
2. Calculer sa fréquence ν.
3. En déduire sa longueur d'onde λ dans le vide.
4. Pourquoi peut-on dire qu'elle correspond au domaine visible du spectre des OEM ?
5. À quelle couleur correspond-elle ? (doc 2)
Un atome ne peut pas avoir n’importe quelle énergie : il possède des niveaux d’énergie bien définis.
Les niveaux d'énergie sont représentés comme des étages :
• État fondamental : le niveau d’énergie le plus bas (l’atome est stable).
• États excités : niveaux d’énergie plus élevés (l’atome a absorbé de l’énergie).
Un atome ne peut pas avoir une énergie intermédiaire entre deux niveaux → l’énergie est quantifiée.
Diagramme des niveaux d'énergie d'un atome ↑
4.1. Absorption d'un photon
Un atome peut se trouver en interaction avec un rayonnement électromagnétique de fréquence ν.
Si hν correspond à un écart entre deux niveaux, l’atome passe au niveau supérieur lors de cette transition énergétique : il y a absorption du photon et l’atome se retrouve dans un état excité (doc.5).
4.2. Émission d'un photon
Lorsqu’un atome est excité au niveau d’énergie En, il peut se désexciter en repassant au niveau d’énergie inférieur E1.
Lors de cette transition énergétique, il y a émission d’un photon dont l’énergie est égale à En1 (doc.6).
En1 = En - E1 = hν
doc 5. Ce diagramme montre l'excitation d'un atome, initialement dans son état fondamental, par absorption d'un photon.
doc 6. Ce diagramme montre le retour à son état fondamental d'un atome après l'émission d'un photon.
4.3. Spectres d'émission, d'absorption
doc 7. Les raies correspondent aux transitions électroniques les plus probables dans le visible
doc 8. Les raies d’absorption prouvent la présence de l’atome dans le milieu traversé par la lumière blanche.
doc 9. Les spectres d'émission et d'absorption d'un même élément coïncident ↓
doc 10. Un spectre de raies caractérise un élément ↓ Chacun le sien 😊
1. Lumière blanche (spectre continu)
2. Mercure (spectre de raies)
3. Cadmium (spectre de raies)
doc 11. Spectre du Soleil 😮
