Spectres d’émission (ESCQS)
Vous avez appris précédemment la structure d’un atome. Les électrons qui entourent le noyau atomique sont disposés dans une série de niveaux d’énergie croissante. Chaque élément a un nombre unique d’électrons dans une configuration unique donc chaque élément a son propre ensemble distinct de niveaux d’énergie. Cette disposition des niveaux d’énergie sert d’empreinte digitale unique de l’atome.
Au début des années 1900, les scientifiques ont constaté qu’un liquide ou un solide chauffé à haute température émettait une large gamme de couleurs de lumière. Cependant, un gaz chauffé à des températures similaires n’émettait de la lumière qu’à certaines longueurs d’onde (couleurs) spécifiques. La raison de cette observation n’était pas comprise à l’époque.
Les scientifiques ont étudié cet effet à l’aide d’un tube à décharge.
Figure 12.5 : Schéma d’un tube à décharge. Le tube est rempli d’un gaz. Lorsqu’une tension suffisamment élevée est appliquée aux bornes du tube, le gaz s’ionise et agit comme un conducteur, permettant à un courant de circuler dans le circuit. Le courant excite les atomes du gaz ionisé. Lorsque les atomes retombent à leur état fondamental, ils émettent des photons pour transporter l’énergie excédentaire.
Un tube à décharge (illustré à la figure 12.5) est un tube en verre rempli de gaz avec une plaque métallique aux deux extrémités. Si une différence de tension suffisamment importante est appliquée entre les deux plaques métalliques, les atomes de gaz à l’intérieur du tube absorbent suffisamment d’énergie pour que certains de leurs électrons se détachent, c’est-à-dire que les atomes de gaz sont ionisés. Ces électrons commencent à se déplacer dans le gaz et créent un courant, qui élève certains électrons d’autres atomes à des niveaux d’énergie plus élevés. Puis, lorsque les électrons des atomes redescendent, ils émettent un rayonnement électromagnétique (lumière). La figure 12.6 ci-dessous montre la quantité de lumière émise à différentes longueurs d’onde, appelée spectre d’émission, pour un tube à décharge rempli d’hydrogène gazeux. Seules certaines longueurs d’onde (c’est-à-dire certaines couleurs) de la lumière sont visibles, comme le montrent les lignes sur l’image.
Figure 12.6 : Schéma du spectre d’émission de l’hydrogène dans le spectre visible. Quatre raies sont visibles, et sont étiquetées avec leurs longueurs d’onde. Les trois raies situées dans la plage \(\text{400}\)-\(\text{500}\) \(\text{nm}\) sont dans la partie bleue du spectre, tandis que la raie la plus élevée (\(\text{656}\) \(\text{nm}\)) est dans la partie rouge/orange.
Les scientifiques ont fini par comprendre que ces raies proviennent de photons d’une énergie spécifique, émis par des électrons effectuant des transitions entre des niveaux d’énergie spécifiques de l’atome. La figure 12.7 montre un exemple de ce phénomène. Lorsqu’un électron dans un atome passe d’un niveau d’énergie supérieur à un niveau d’énergie inférieur, il émet un photon pour transporter l’énergie supplémentaire. L’énergie de ce photon est égale à la différence d’énergie entre les deux niveaux d’énergie (\(\Delta E\)).
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Comme nous l’avons vu précédemment, la fréquence d’un photon est liée à son énergie par l’équation \(E=hf\). Puisqu’une fréquence (ou longueur d’onde) de photon spécifique nous donne une couleur spécifique, nous pouvons voir comment chaque ligne colorée est associée à une transition spécifique.
Figure 12.7 : Dans le premier diagramme sont représentés certains des niveaux d’énergie des électrons pour l’atome d’hydrogène. Les flèches montrent les transitions des électrons des niveaux d’énergie supérieurs vers les niveaux d’énergie inférieurs. L’énergie des photons émis correspond à la différence d’énergie entre deux niveaux d’énergie. Vous pouvez considérer l’absorption comme le processus inverse. Les flèches seraient dirigées vers le haut et les électrons passeraient à des niveaux supérieurs lorsqu’ils absorberaient un photon de la bonne énergie. La deuxième représentation montre les longueurs d’onde de la lumière qui est émise pour les différentes transitions. Les transitions sont regroupées en une série basée sur le niveau le plus bas impliqué dans la transition.
La lumière visible n’est pas le seul type de rayonnement électromagnétique émis. Des transitions plus ou moins énergétiques peuvent produire des rayonnements ultraviolets ou infrarouges. Cependant, comme chaque atome possède son propre ensemble distinct de niveaux d’énergie (son empreinte digitale !), chaque atome possède son propre spectre d’émission distinct.
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