Atome Et Mécanique De Newton

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Insuffisance de la mécanique classique

Les lois de Newton restent impuissantes pour justifier l’identité des atomes, elles ne sont  pas utilisable à l’échelle atomique et moléculaire pour expliquer quelques phénomènes physique comme l’échange énergétique entre la matière et la lumière.

Quantification des niveaux d’énergie

Au début du XX siècle, les physiciens  procèdent à  l’expérience suivante:

On éclaire un métal avec un faisceau lumineux celui- ci peut éjecter  des électrons  par contre lorsqu’on  fait varier la longueur d’onde λ,  il  existe  une  longueur  d’onde  seuil  λs  au-delà  de  laquelle rien ne se passe

c’est-`a-dire  lorsqu’on applique un faisceau lumineux de longueur d’onde λ ≤ λs  des électrons sont éjectés même  si la puissance  est très faible. par contre il  existe  une  longueur  d’onde  seuil  λs  au-delà  de  laquelle  aucun  ´électron  n’est éjectée  même si on augmente la puissance lumineuse.

Albert Einstein donne, en 1905, une explication à ce phénomène :

Les échanges  entre  la lumière  et  la  matière  se  font  par  l’absorption  ou  l’émission  d’un  quanton  appelé  photon,  dont  l’énergie  est  E  =  .

les échanges ne peuvent se faire que par paquets d´énergie « quantum d´énergie E »  dépendant de la fréquence. La lumière est constitué de corpuscules appelés photons , porteurs d’énergie

Les électrons qui absorbent ces photons acquièrent cette énergie

A chaque photon correspond une onde électromagnétique de longueur d’onde λ, de fréquence ν et de  célérité c dans le vide (c=3,00.108 m.s-1). Un photon a une masse nulle et une énergie E avec h = 6,62.10-34 J.s, appelée constante de Planck

Pour l’énergie de photon est exprimé souvent en l’électron-volts

Voir aussi:  Quel budget pour un professeur particulier de physique ?

Applications aux spectres atomiques

Expérience

L’hydrogène, à basse pression,  éclairé par de la lumière blanche qui est constituée d’une infinité de radiations monochromatiques  « lumière dont le spectre est continu ».

On observe comme résultat deux spectres:

Spectres d’absorption :

Des atomes éclairés par de la lumière blanche pourront absorber certaines radiations lumineuses

donc le spectre de la lumière traversant le gaz d’hydrogène présentera alors  des raies noires.

Spectres d’émission :

Pour  le  spectre d’émission atomique d’hydrogène on remarque qu’il comporte des raies  dont les longueurs d’ondes sont identiques à celles présentes dans le spectre d’absorption « des raies noires ».

Explication

L’analyse spectrale  montre que  les photons absorbés  sont  composées  de radiations de certaines fréquences discrètes  bien déterminées, cela montre qu’un atome ne peut absorber de l’énergie que si celle-ci permet à un électron de passer d’un niveau d’énergie à un autre. On dit que les énergies de l’atome sont quantifiées « quanta d’énergie »

Le physicien  Niels Bohr , énonce les postulats permettant d’interpréter les raies de spectre de l’atome d’hydrogène :

Postulat des orbites

 A chaque orbite permise correspond un niveau énergétique déterminé : L’énergie de l’atome est quantifiée

L’atome ne peut exister que dans certains états d’énergies bien défini ; chaque état est caractériser par niveau d’énergie .

Postulat des émissions et absorptions d’énergie de Bohr

La transition  d’un électron d’une orbite vers une autre se fait par saut et est accompagnée  de l’émission ou de l’absorption d’un photon d’énergie : ΔE =EfEi  =h.ν = h.c / λ

  • Ei = énergie correspondant au niveau  de départ
  • Ef = énergie correspondant au niveau  d’arrivée
  • ν= fréquence du rayonnement émis ou absorbé
  • h : constante de Planck   h = 6,62.10-34 J.s
Voir aussi:  Courant Alternatif Monophasé

Un atome peut absorber de l’énergie lumineuse : il subit alors une transition d’un niveau d’énergie Ei à un niveau d’énergie supérieur Ef


Il y a émission de lumière lorsque, après avoir été excité, l’atome subit une transition d’un niveau d’énergie Ei à un niveau d’énergie inférieur Ef

Au cours d’une transition, un atome ne peut émettre ou absorber qu’un seul quantum d’énergie lumineuse. Ces quanta ont certaines valeurs discrètes et par conséquent, les longueurs d’ondes ont bien aussi des valeurs particulières.

Le diagramme d’énergie de l’atome d’hydrogène

Bohr en 1913 élabore une théorie  quantifier l’énergie de l’atome d’hydrogène par la relation

n :  entier naturel, non nul,  correspond au numéro de la  couche occupée par l’unique électron de l’atome d’hydrogène.

n = 1  est  le  niveau fondamental  E1 = – 13,6 eV.  est l’état de plus basse énergie

 Dans son état « normal », l’atome est à son niveau d’énergie le plus bas « état fondamental » .

Dans les niveaux supérieurs, l’atome est dans un état excité.

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