(Q-3) Niveaux d'Énergie Atomique
Fréquence ν et longueur d'onde λImaginons une onde électromagnétique continue de fréquence ν émise pendant une seconde entière. Elle parcourt une distance de c mètres, où c mètres/sec est la vitesse de la lumière, et cette distance contient ν ondes. Chaque onde occupe donc une "longueur d'onde" La fréquence ν est ainsi proportionnelle à la quantité 1/λ qui apparaît dans la formule de Balmer. Bien que λ soit plus facile à mesurer en laboratoire, la formule de Balmer montre que la fréquence ν peut être plus significative en physique. Plus tard la fréquence ν est apparue également dans la formule d'Einstein E = hν. Que cela voulait-il dire ? Niveaux d'énergieIls sont nombreux à avoir contribué à interpréter ce message, et l'historique exposé ici est exagérément simplifié. La formule de base était celle d'Einstein, découverte en 1905
Elle suggérait qu'une onde électromagnétique abandonne son énergie par fragments bien définis ("photons"), dont la taille est proportionnelle à sa fréquence ν (ν est la lettre grecque "nu"; la lettre "f" est quelquefois utilisée). Un des premiers interprètes de la formule de Balmer fut en 1913 Niels Bohr, un jeune physicien danois. Il avait été un membre connu de l'équipe nationale du football du Danemark -- bien qu'en fait la vraie star de l'équipe avait été son frère Harald Bohr, qui ultérieurement se distinguera en mathématiques. Après analyse de la formule de Balmer et également du principe de combinaison de Ritz ( ci-dessous), Bohr suggéra que les atomes ne pouvaient exister (même brièvement) qu'avec certains niveaux d'énergie , et que la lumière n'était uniquement émise que lorsqu'un atome descend d'un niveau d'énergie élevé à un niveau inférieur.
L'atome d'hydrogène, par exemple, présente des niveaux d'énergie :
En appliquant la formule de Balmer ainsi que celle d'Einstein, on trouve que l'énergie du photon émis lorsque l'atome passe d'une énergie élevée (n grand) à une plus basse (n plus petit) correspondait exactement à la quantité d'énergie dépensée :
Le Principe de Combinaison de RitzEn 1908 Ritz constata que la formule de Balmer n'était que l'exemple précurseur d'un phénomène plus répandu en matière de "ligne spectrale" émise par un gaz chaud. Si on établissait les différences entre les diverses valeurs de (1/λ) pour les paires de lignes spectrales d'un atome déterminé, il y avait quelquefois deux paires distinctes qui donnaient la même différence. Cela entraînait naturellement des différences analogues pour les fréquences (c/λ) (c la vitesse de la lumière).
Supposons qu'une ligne spectrale, de fréquence ν1 résulte d'un saut du niveau d'énergie A à l'énergie B, et q'une autre ligne, de fréquence ν2, provienne d'un saut de l'énergie C à l'énergie D. Donc
Pour ces atomes, il se pourrait aussi que peut-être des transitions se produisent de A à C, et de B à D, à la faveur de l'émission de photons de fréquences ν3 et ν4. Dans ces cas :
Si de telles transitions sont possibles, alors (comme on peut le vérifier)
Nous avons indiqué plus haut que les longueurs d'onde des lignes spectrales (et par conséquent leurs fréquences) pouvaient être déterminées avec une très grande précision. Si des égalités telles que celle écrite ci-dessus peuvent se produire par une chance inouïe, elles devraient être absolument exceptionnelles. Ritz et d'autres ont trouvé des différences concordantes (de diverses sortes) beaucoup plus fréquemment que prévisible, et cela a conforté l'idée de l'existence des atomes (au moins brièvement) à des niveaux distincts d'énergie. . Compléments au sujet des niveaux d'énergie atomiqueSi les atomes sont laissés au repos, ils se laissent habituellement tomber au niveau d'énergie disponible le plus bas et y restent, dans leur "état fondamental." Cependant quelquefois, ils peuvent également être poussés à un niveau énergétique plus important ("ils sont " excités ") par exemple par une collision avec un atome ou un électron rapide accélèré en raison d'une tension électrique ou d'une source de chaleur. Un atome élevé à un de ses plus hauts "niveaux d'excitation " revient bientôt à un niveau inférieur ("il subit un saut quantique") en émettant un photon dont l'énergie correspond à la différence entre les niveaux. Cela ne nécessite pas le retour à l'état fondamental : l'atome peut y retourner en plusieurs étapes, émettant à chaque fois un photon.En principe ce retour se produit très rapidement -- en nanosecondes, peut-être -- mais pas toujours. Les couleurs vertes et rouges de l'aurore polaire sont émises à des longueurs d'onde bien définies, qui ne sauraient être reproduites correctement en laboratoire. Finalement elles révèlent des niveaux d'excitation inhabituels de l'atome d' oxygène. Avec des concentrations importantes d'oxygène, par exemple pour des sources lumineuses expérimentales, l'énergie supplémentaire est rapidement annulée par les collisions, mais dans la haute atmosphère, où les collisions sont rares, l'état d'excitation peut persister pendant 0.5-1 seconde, jusqu'à ce qu'un photon vert ou rouge soit émis et abaisse l'énergie. La longue durée de vie de ces niveaux explique le progressif effacement et les variations d'éclairage des plis des "draperies" aurorales, un spectacle visuellement fascinant, un peu analogue aux lueurs et au scintillements des flammes dans une cheminée. Chaque rayon est engendré par un faisceau d'électrons le long d'une ligne de champ magnétique. Les physiciens on pu grâce à la combinaison de Ritz ordonnancer le méli-mélo des lignes spectrales observées en un arrangement plus ordonné (et plus petit) des niveaux d'énergie. Classés d'après la théorie quantique de l'atome ( plus loin ci-dessous), ces niveaux peuvent être rangés en familles significatives, avec à la clef de nouvelles questions. Par exemple : pourquoi existe t-il certaines transitions alors que d'autres semblent "interdites," bien que l'on s'attende à ce qu'elles puissent aussi libérer de l'énergie. Une autre question était de savoir pourquoi certains niveaux sont parfois divisés en deux niveaux finement séparés, ou plus. Par exemple, la lumière jaune du sodium (e.g. le sel ordinaire brûlant avec du bois, ce qui donne aux flammes leurs couleurs) recèle en fait deux longueurs d'onde étroitement espacées. Un effet en relation avec ceci est le dédoublement d'une longueur d'onde spectrale simple en plusieurs autres étroitement rapprochées si la lumière provient d'une région de fort champ magnétique. C'est l'effet Zeeman découvert en 1896 par le Néerlandais Pieter Zeeman. La séparation des longueurs d'onde donne souvent une indication de la force du champ magnétique dans la région source de la lumière. Ce fut le dédoublement de Zeeman dans les lignes spectrales émises par les taches solaires qui a amené George Ellery Hale en 1908 à prendre conscience que ces taches sont en fait fortement magnétisées, à environ 1500 gauss (0.15 Tesla). Les noyaux radioactifs émettent des rayons gamma (rayons γ ), photons dont les énergies sont environ un million de fois plus importante que celles des atomes. Il a fallu un moment pour mesurer leur longueur d'onde avec une certaine précision, mais on a réalisé aux environs de1949 qu'ils obéissaient aussi au principe de Ritz. Cela a confirmé ce que l'on pensait de longue date : les noyaux possèdent aussi des niveaux d'énergie, et les transitions qui y sont associées sont à l'origine des rayons gamma. . |
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Auteur et responsable : Dr. David P. Stern |