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Principe d'absorption et d'émission atomique

La nature de la lumière

   Catégorie : matière et particules
Mise à jour 13 octobre 2013

La lumière est la seule information que les scientifiques ont à leur disposition pour comprendre le monde qui nous entoure. Au fil des siècles, en observant la lumière du Soleil, les scientifiques ont fait « parler » la lumière.
Déjà en 1670, Isaac Newton regarde la lumière blanche du Soleil dans un prisme de verre et s'aperçoit que ce faisceau de lumière est décomposé. Il pense que la lumière est composée de corpuscules.
En 1676, Ole Christensen Rømer (1644-1681) détermine la vitesse de la lumière en observant les satellites de Jupiter.
En 1690, Christian Huygens (1629-1695) énonce que la lumière est constituée d'une série d'ondes propagées à travers l'éther, substrat immatériel qui sert de support dans le vide pour véhiculer la lumière.
En 1801, Thomas Young (1773-1829) obtient une figure d'interférence (image ci-contre), montrant que la lumière est une onde car les ondes peuvent s'ajouter et se soustraire afin de fabriquer des interférences (zones sombres entrecoupées de zones lumineuses). Cette expérience permet de comprendre le comportement et la nature de la lumière.
En 1814, Joseph Von Fraunhofer (1787-1826) remarque des raies dans la lumière visible du spectre solaire. Cet opticien et physicien allemand est le premier à étudier la diffraction de la lumière à l'aide de réseaux optiques (diffraction de Fraunhofer). A cette époque on ne connait pas la raison de la présence de ces raies dans le spectre visible de la lumière. La réponse arrivera bien plus tard.
En 1850, Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) et Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) découvrent que les raies spectrales de la lumière émise par un corps incandescent, constituent une signature permettant d'identifier ce corps. En observant le spectre de la lumière solaire, ils reconnaissent plusieurs éléments chimiques présents sur Terre dont, le césium et le rubidium. 
En 1864, James Clerk Maxwell (1831-1879) fait une synthèse des ondes électriques et électromagnétiques. Il détermine que la lumière est une onde électromagnétique et que l'ensemble du spectre électromagnétique est lumière. Ce qui différencie les ondes électromagnétiques entre elles, est la longueur d'onde. Les différentes fenêtres du spectre électromagnétique se caractérisent par une plage de longueurs d'ondes mais aussi par une plage de fréquences.
En 1900, Max Planck résout l'énigme du corps noir, sa formule décrit parfaitement la lumière qu'émet un corps en fonction de sa température. En d'autres termes, une température élevée indique une énergie élevée, une température basse indique une énergie faible.
En 1905, Albert Einstein(1879-1955) explique l'effet photoélectrique, ce sont des photons de la lumière incidente qui arrachent des électrons à la matière.

 

Les photons agissent comme des quanta d'énergie, ce que Planck avait déjà suggéré, mais c'est Einstein qui le montre. Ces photons disposent donc d'une certaine énergie, c'est elle qui va arracher les électrons du métal. Lorsque nous recevons sur notre peau, les rayons lumineux du Soleil, nous ressentons bien l'énergie qu'ils transportent. La lumière est donc bien constituée de photons au comportement ondulatoire et à chacun de ces photons, correspond une énergie. Plus la longueur d'onde du photon est courte et plus il est énergétique.
En 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) précise la structure de l'atome et donne une taille au noyau atomique de l'ordre de 10-14 mètre.
En 1913, Niels Bohr (1885-1962) propose la structure de l'atome d'hydrogène, les électrons sont situés sur des orbites quantifiées. L'électron navigue à une certaine distance, sur une des couches en pelure d'ognon autour du noyau. C'est le principe d'absorption et d'émission de lumière dans un atome (voir chapitre suivant).
La fameuse expérience des fentes de Thomas Young (1773-1829) date de 1821. C'est une expérience de physique qui consiste à faire interférer deux faisceaux de lumière issus d'une même source. Cette expérience faite avec des photons a été réalisée depuis avec toutes les particules. Avec des électrons dans les années 1920, avec des neutrons dans les années 1950, avec des atomes dans les années 1980 et avec des molécules dans les années 1990. Toutes les particules microscopiques sont susceptibles d'interférer comme dans l'expérience de Young.

nota : Énergie du photon E = hν = hc / λ.
E est l'énergie exprimée en joule, h est la constante de Planck (6,62 x 10-34), ν est la fréquence (nombre d'oscillations électromagnétiques), c est la célérité de la lumière dans le vide et λ est la longueur d'onde. L'énergie d'un photon est donc infiniment petite. En d'autres termes, plus la longueur d'onde est courte, plus la fréquence est élevée et plus l'énergie est puissante.

Image : La nature de la lumière relève de la mécanique quantique pour laquelle elle est à la fois une onde et une particule. La lumière possède une longueur d'onde, qui en détermine la couleur, le Rouge émet dans la longueur d'onde de 700 nanomètres, le Violet 450 nm. C'est dans cette petite fenêtre que nous voyons le monde, mais la lumière invisible s'étale sur un plus grand champ électromagnétique. L'émission de lumière est l'émission de photon, lorsque l'atome passe d'un niveau d'énergie à un autre. Le spectre d'émission de n'importe quel élément peut être obtenu en chauffant cet élément, puis en analysant le rayonnement émis par la matière. Ce spectre est caractéristique de l'élément.

 interférences des fentes de Young

Image : L'expérience des fentes de Young ou interférences de Young est une expérience de physique qui consiste à faire interférer deux faisceaux de lumière issus d'une même source. Pour cela on fait passer la lumière par deux petites fentes percées dans un panneau opaque. Les photons de lumière passent par les deux trous et donc parcourent un trajet différent. Tous ceux qui passent par un trou vont arriver ensembles, les ondes vont s'additionner, il y aura donc amplification de la lumière qui va marquer petit à petit « l'écran photographique ». Ceux qui vont passer par l'autre trou vont arriver décalés dans le temps par rapport aux premiers et les ondes vont aussi s'additionner, mais deux ondes opposées s'annulent c'est ce que montre les franges noires du phénomène d'interférence.
 

spectre électromagnétique

Principe d'absorption et d'émission atomique

    

En 1913, Niels Bohr (1885-1962) propose la structure de l'atome d'hydrogène où les électrons sont situés sur des orbites quantifiées (modèle de Bohr). L'électron externe navigue à une certaine distance, sur une des couches en pelure d'ognon autour du noyau. Bohr montre que cet électron peut faire certains sauts d'une couche quantifiée à l'autre. Pour que l'électron situé sur une couche haute, saute sur la couche interne, il lui faut une énergie égale à la différence d'énergie entre les deux couches quantifiées. Si les énergies mises en jeu sont modérées, seuls les électrons externes du nuage d'électrons sont concernés.
Un rayon lumineux est une onde qui se propage comme un ensemble coordonné de corpuscules que l'on appelle les photons. La quantité d'énergie transportée par le photon est appelée quantum d'énergie. Lorsque le photon arrive sur l'atome, l'atome absorbe le photon et on va constater une raie d'absorption. L'électron qui a changé de couche n'est pas dans un état stable et va chercher à revenir sur sa couche d'origine. Lorsque l'électron revient sur sa couche initiale, un photon est émis, l'atome perd de l'énergie et on va constater une raie d'émission. L'électron est revenu sur sa couche initiale et a retrouvé son état fondamental en transmettant l'énergie qu'il avait reçu, égale à la différence d'énergie entre les deux couches quantifiées.
Les déplacements d'électrons d'une couche à une autre, vont mettre en évidence les raies spectrales d'absorption et d'émission. Lumière, onde, corpuscule, énergie et matière sont liés dans ce phénomène d'absorption et d'émission atomique.

 

En résumé, l'atome résulte de l'interaction entre un noyau et des électrons, en d'autres termes, c'est un système lié de particules possédant de l'énergie. Lorsqu'il y a apport d'énergie ou perte d'énergie, la matière réagit en absorbant ou en émettant une onde de lumière.

nota : En physique classique les atomes sont constitués d'un certain nombre d'électrons ponctuels chargés négativement, et d'un noyau quasi-ponctuel, chargé positivement, mais cela soulève un paradoxe. En physique classique, la matière devrait disparaitre, s'annihiler car un électron qui rayonne autour d'un noyau, perd de l'énergie (théorie de Maxwell) et donc devrait tomber sur le noyau. Ce qui veut dire que la stabilité d'un atome est incompréhensible dans le cadre de la théorie classique. Par contre, la physique quantique explique ce mystère de l'atome et la stabilité de la matière. La physique quantique est apparue entre 1925 et 1927, elle dérive de la mécanique quantique initiée par Max Planck en 1900, puis développée par Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld, Hendrik Anthony Kramers, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli et Louis de Broglie entre 1905 et 1924. Cette révolution scientifique et conceptuelle qui explique l'existence de la matière, est à la base de notre compréhension physique du monde.

 Absorption et émission de photons

Image : Principe de l'absorption et de l'émission d'un photon. Si l'énergie mise en jeu est modérée, les transitions électroniques se font uniquement sur les couches externes des atomes. Elles correspondent au passage d’un électron de la sous-couche non remplie à une sous-couche inoccupée d’énergie supérieure (absorption) ou au retour d’un électron sur la sous-couche de valence (émission). Si l'énergie mise en jeu est suffisamment forte (dans les très hautes fréquences) il y a arrachement des électrons.
Crédit image : www.astronoo.com

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