Sources de lumière colorée

Activité 4 : Absorption de la lumière par la matière

Notions et contenus : interaction lumière-matière, quantification, énergie d'un photon, spectre solaire. Compétences attendues : interpréter les échanges d'énergie entre lumière et matière. Connaître les relations

= c/ et E = h et les utiliser pour exploiter un diagramme de niveaux d’énergie. Expliquer les caractéristiques (forme, raies) du spectre solaire.

I. Spectre du Soleil :

Au XIXème

siècle, le physicien allemand Joseph Fraunhofer a étudié le spectre visible de la lumière du Soleil décomposée par un prisme. Il a pu en déduire la composition chimique de l’atmosphère solaire. Dès 1814, le physicien allemand Fraunhofer (1787 – 1826) remarque la présence de raies noires dans le spectre du Soleil. Kirchhoff mesure la longueur d’onde de plusieurs milliers de ces raies et montre qu’elles coïncident avec celles émises par diverses entités chimiques : hydrogène, calcium, cuivre, fer, zinc, … . Il publie, en 1861, le premier atlas du système solaire. Voici le spectre de la lumière solaire obtenu par Fraunhofer :

1) Dans le spectre du soleil ci-dessus, s’agit-il de raies d’émission ou d’absorption ? 2) En vous aidant du tableau ci-dessous identifier les raies principales (en majuscule) du spectre solaire de

Fraunhoffer.

Raie d’absorption

A B C D1 D2 E F G H K

Elément chimique

3) La lumière peut donc être _______________ par la matière.

II. Interaction lumière – matière :

Quand un atome absorbe de l’énergie lumineuse, il est excité. C'est le cas pour les éléments chimiques présents dans l'atmosphère du Soleil. Mais que cela signifie-t-il ? 1) Représenter le cortège électronique de l’atome d’hydrogène H (Z=1) dans son état fondamental. Quand

l'atome est excité, son électron change de couche. Représenter cette transition sur un schéma. 2) Qu'est-ce qui peut ainsi "déplacer" l'électron ?

3) Chaque couche possède une énergie spécifique, et les photons transportent eux aussi une énergie. A quelle condition un électron pourra-t-il passer de son état fondamental à un état excité ?

Longueurs d’onde, exprimées en nm de certaines raies caractéristiques de quelques éléments chimiques

Éléments chimiques

Hydrogène (H)

Sodium (Na)

Magnésium (Mg)

Calcium (Ca)

Fer (Fe)

Titane (Ti)

Manganèse (Mn)

Dioxygène (O2)

Lo

ng

ueu

rs

d’o

nd

e (

nm

)

434,0 589,0 470,3 393,4 396,8

438,3 466,8 403,6 686,7

486,1 589,6 516,7 422,7 489,1 469,1 762,1

656,3 458,2 491,9 498,2

526,2 495,7

527 532,8

537,1

539,7

Sources de lumière colorée

Activité 4 : Absorption de la lumière par la matière

4) La lumière peut être comprise soit comme une onde, soit comme un grain de lumière appelé photon, selon les phénomènes physiques que l'on souhaite modéliser. Elle est caractérisée par une longueur

d'onde , telle que

. De plus le photon transporte de l'énergie, donnée par la relation .

L'énergie, exprimée en Joule dans le SI, est souvent donnée en électron volt (eV) pour des raisons de commodité. 1 eV = 1,6 . 10

-19 J

Par exemple, pour ioniser l'atome d'hydrogène, il faut apporter une énergie de 13,6 eV. Quelle lumière faut-il utiliser pour cela ?

III. L'histoire des quantas : Lire et répondre aux questions de l'activité 1 p. 60

IV. Exemple de l'atome d'hydrogène : Pour expliquer le spectre solaire, en particulier la présence des raies d’absorption, il faudra attendre le début du XX

ème

siècle avec l’avènement de la mécanique quantique. Dans l’atome d’Hydrogène que nous allons étudier, tous les niveaux d’énergie ne sont pas accessibles, seuls certains le sont, on parle de quantification. Un atome excité absorbera un photon possédant une certaine énergie, donc à une certaine fréquence. Voici le diagramme d’énergie de l’atome d’Hydrogène :

1) Calculer la variation d’énergie En2 correspondant aux transitions entre les niveaux d’énergie En et E2, pour n=3 à n=8.

2) En déduire la fréquence n2 du photon émis par l’atome d’Hydrogène pour chaque transition. Puis

calculer la longueur d’onde n2 correspondante. En observant le spectre d’émission de l’atome d’Hydrogène, identifier les raies en fonction des longueurs d’onde calculées précédemment. (1 Angstrom = 0,1 nanomètre)

Raies H H H H H H

Longueur d’onde (nm)

Ces raies sont appelées « raies de Balmer ». Il existe d’autres raies, invisibles à l’œil nu, appelées « raies de Lyman » dans l’ultra-violet (transitions En1) et les « raies de Paschen » dans l’infra-rouge (transitions En3). 3) Retrouver les raies de Balmer dans le spectre solaire de Fraunhofer.

V. Conclusion :

Sources de lumière colorée

Activité 4 : Absorption de la lumière par la matière Correction

Notions et contenus : interaction lumière-matière, quantification, énergie d'un photon, spectre solaire. Compétences attendues : interpréter les échanges d'énergie entre lumière et matière. Connaître les relations

= c/ et E = h et les utiliser pour exploiter un diagramme de niveaux d’énergie. Expliquer les caractéristiques (forme, raies) du spectre solaire.

I. Spectre du Soleil :

Voici le spectre de la lumière solaire obtenu par Fraunhofer :

1) S’agit-il de raies d’émission ou d’absorption ? Absorption par l'atmosphère du Soleil. 2)

Raie d’absorption

A B C D1 D2 E F G H K

Elément chimique

O2 O2 H Na Na Ca H H Ca Ca

3) La lumière peut donc être absorbée par la matière. Le Soleil, à environ 6000 K émet, d'après la loi de

Wien, un spectre centré sur le visible ( ). Son atmosphère, traversée par cette lumière en absorbe une partie, selon sa composition chimique, d'où le spectre observé. Il y a donc une interaction entre la lumière et la matière.

II. Interaction lumière – matière :

2) C'est le photon qui déplace l'électron, grâce à son énergie. 3) L'énergie du photon doit être identique à l'énergie entre 2 niveaux d'énergie de l'atome.

4)

Les valeurs de h et c ne sont pas données, afin que les élèves les demandent.

III. L'histoire des quantas:

IV. Exemple de l'atome d'hydrogène :

En2 = En – E2 en absorption (E2 – En en émission). Ici, le photon est absorbé.

| |

L'énergie des niveaux est négative (E=0 correspond à l'énergie d'ionisation avec une EC nulle), l'énergie apportée par le photon est positive.

Longueurs d’onde, exprimées en nm de certaines raies caractéristiques de quelques éléments chimiques

Éléments chimiques

Hydrogène (H)

Sodium (Na)

Magnésium (Mg)

Calcium (Ca)

Fer (Fe)

Titane (Ti)

Manganèse (Mn)

Dioxygène (O2)

Lo

ng

ueu

rs

d’o

nd

e (

nm

)

434,0 589,0 470,3 393,4 396,8

438,3 466,8 403,6 686,7

486,1 589,6 516,7 422,7 489,1 469,1 762,1

656,3 458,2 491,9 498,2

526,2 495,7

527 532,8

537,1

539,7

Dans atmosphère terrestre et

non solaire

Sources de lumière colorée

Activité 4 : Absorption de la lumière par la matière Correction

n 3 4 5 6 7 8

En2 (eV) 1,88 2,54 2,85 3,02 3,11 3,18

En2 (J) 3,008E-19 4,064E-19 4,56E-19 4,832E-19 4,976E-19 -$5,088E-19

4,54E+14 6,13E+14 6,88E+14 7,29E+14 7,51E+14 7,67E+14

(m) 6,61E-07 4,89E-07 4,36E-07 4,12E-07 4,00E-07 3,91E-07

(nm) 661 489 436 412 400 391

Raies H H H H H H

(nm) 661 489 436 412 400 391

Transition 3 – 2 4– 2 5 – 2 6 – 2 7 – 2 8 – 2

V. Conclusion :

La matière peut interagir avec la lumière. Il faut pour cela que la lumière ait une longueur d'onde (et donc une énergie) exactement égale à l'énergie entre 2 niveaux d'énergie. On dit que l'énergie est quantifiée. Dans ces conditions, l'énergie lumineuse est absorbée et l'atome gagne de l'énergie. Le phénomène inverse est aussi possible : quand l'atome se désexcite, c’est-à-dire que l'électron retombe à un niveau d'énergie plus bas, alors l'atome perd de l'énergie sous forme de photon. Ce phénomène est à l'origine de la fluorescence et la phosphorescence. R : Quand l'énergie absorbée est faible (de l'ordre de l'eV, 10

-19 J), l'émission ou l'absorption de lumière ne

concerne que quelques radiations. Par contre, quand l'énergie est élevée (de l'ordre du kJ), alors l'émission concerne un spectre étendu (loi de Wien).

CLASSE

O 30 000 K

B 15 à 20 000 K

A 10 000 K

F 7 000 – 8 000 K

G 5 000 – 6000 K

K 4 000 K

M 3 000 K