PHYSIQUE-CHIMIE

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EXPLICATION DES SPECTRES DE RAIES

On utilise l’interaction entre la lumière et la matière pour expliquer les spectres de raies d’émission et les spectres de raies d’absorption. Voici, ci-dessous le spectre de raies d’émission et le spectre de raies d’absorption de l’hydrogène :

 

 

On remarque que sur le spectre de raies d’émission on a des raies colorées sur fond noir et sur le spectre de raies d’absorption, on a des raies noires sur un fond coloré. On observe que les raies d’émission sont situées exactement au même endroit que les raies d’absorption. En effet, un élément absorbe les raies qu’il est capable d’émettre. 

Remarque : les raies sont une véritable empreinte digitale de l’élément chimique. Chaque élément chimique est caractérisé par un certain nombre de raies d’émission et donc un certain nombre de raie d’absorption.

 

Rappels sur l’obtention des spectres

 

 

Pour obtenir un spectre d’émission (par exemple dans le cas de l’hydrogène), on met de la vapeur d’hydrogène sous basse pression dans un système et on lui fournit de l’énergie (par exemple à l’aide d’une décharge électrique) cela va provoquer une émission de lumière. On décompose cette lumière par un élément dispersif (ici représenté par un prisme) et on observe sur l’écran le spectre d’émission.

Dans le cas du spectre d’absorption, on envoie de la lumière blanche, donc on fournit en quelque sorte de l’énergie à un endroit qui contient de l’hydrogène sous basse pression, et on décompose la lumière qui est passée par l’hydrogène grâce à un élément dispersif (ici le prisme) et on obtient le spectre d’absorption sur l’écran.

 

Origine des raies

 

On va pouvoir expliquer grâce à ces deux procédés l’origine des raies colorées sur le spectre d’émission et l’origine des raies sombres sur le spectre d’absorption. Pour cela, on prend le diagramme d’énergie de l’hydrogène.

 

 

Pour rappel, l’énergie est quantifiée donc elle ne peut prendre que certaines valeurs.

 

Cas de l’émission

On fournit de l’énergie à l’atome d’hydrogène donc il passe dans des états excités. Il va ensuite refournir cette énergie, il va la re-libérer, en émettant des photons. Ce qui explique que, par exemple, quand il passe de l’état excité E3 à l’état excité E2, il perd de l’énergie et émet un photon de longueur d’onde déterminée qui est ici de $656$ nm. Elle correspond à la raie rouge. Quand il passe de l’état d’énergie E4 à l’état d’énergie E2 il émet un photon qui correspond à la longueur d’onde $486$ nm et qui correspond à la raie cyan, même chose pour la raie bleue de longueur d’onde $434$ nm. Pour déterminer la longueur d’onde correspondante quand on passe d’un état excité à un autre, on peut utiliser la formule suivante :

$λ = \dfrac{hc}{E_{sup}- E_{inf}}$

$h$ étant la constante de Planck et $c$ la célérité de la lumière dans le vide.

Attention lorsque l’on utilise cette formule, dans le diagramme on a les données en électronvolts alors qu'elles sont en Joules dans la formule. Il faut donc convertir en Joules à l’aide de la formule de conversion qui est donnée.

 

Cas de l’absorption

On envoie la lumière blanche donc on fournit de l’énergie et l’atome ne va absorber que les rayonnements qui correspondent au passage d’un de ces états à un autre. Par exemple, lorsque l’atome va absorber la longueur d’onde de $656$ nm, on va passer de l’état d’énergie E2 à l’état d’énergie E3. Quand l’atome absorbe la raie de couleur cyan, on passe de l’état d’énergie E2 à l’état d’énergie E4. Et quand il absorbe la raie bleue, il passe de l’état d’énergie E2 à l’état d’énergie E5. Pour faire des calculs sur l’absorption, on utilise exactement la même formule que précédemment.

  • C
    Clara ~ 11/06/2018
    Bonjour, Dans la loi de Wien nous voyons la mesure "lambda max". Celle-ci est décrite comme "la l... Afficher la suite
    • C
      Clara ~ 11/06/2018
      Bonjour, Dans la loi de Wien nous voyons la mesure "lambda max". Celle-ci est décrite comme "la longueur d'onde de son maximum d'émission". A quoi correspond cette longueur d'onde de son max d'émission? Merci beaucoup
    • logo-lesbonsprofs
      Loïc ~ 11/06/2018

      Bonjour Clara, 

      regardons donc ensemble cette image. 

      Résultat de recherche d'images pour "profil spectral soleil"

      Cette dernière représente ce que l'on appelle le profil spectral du soleil, c'est à dire que pour une longueur d'onde on regarde son intensité dans la lumière émise par le soleil. On remarque que la courbe d'intensité présente un maximum. 

      Or la loi de Wien dit que λmax x T = constante. Ainsi, lorsque l'on parle de longueur d'onde de maximum d'émission, on parle du maximum de la courbe d'intensité, car c'est pour cette longueur d'onde que l'intensité sera maximale. 

      Tu peux aussi regarder cette vidéo : https://www.lesbonsprofs.com/espace/premiere/scientifique/physique-chimie/observer-couleurs-et-images/537/1037.

      N'hésite pas à me demander de plus amples explications si nécessaire,

      Bonne journée,

      Loïc