Production des images, Première

Production de la lumière par les atomes

FondamentalLes électrons et la lumière

L'émission de lumière par un atome ou une molécule est un phénomène électronique.

Dans un atome chaque électron possède des niveaux d'énergie quantifiés (les niveaux d'énergie ont des valeurs précises).

La lumière qui frappe la surface d'un objet, fournit de l'énergie qui excite certains électrons des atomes. L'électron peut passer d'un niveau inférieur vers un niveau d'énergie plus élevée en absorbant cette énergie. Ces électrons excités retournent très rapidement à un état stable en perdant l'énergie accumulée sous de forme de rayonnement (onde électromagnétique) accompagné de photons[1]

Le rayonnement peut-être situé dans le visible, mais aussi dans l'infrarouge ou l'ultraviolet, tout dépend de la différence d'énergie entre les deux niveaux lors de la transition électronique.

Si à cause des niveaux d'énergie quantifiés, certaines radiations de la lumière blanche qui éclairent un objet sont absorbées et d'autre pas, la surface de l'objet apparaît coloré.

Les niveaux d'énergie

Niveaux d'énergies de l'atome d'hydrogène

Les niveaux d'énergie d'un électron dans un atome ne peuvent prendre que des valeurs bien précises, on dit qu'ils sont quantifiés

Chaque niveau est repéré par un nombre entier n. Le niveau le plus bas correspond à n =1.

En réalité, le diagramme énergétique est plus complexe . La mécanique quantique nous apprend que chaque niveau est, à son tour, subdivisé en plusieurs sous niveaux.

Les niveaux d'énergie sont exprimés en électron-volt (eV).

1 eV = 1,6.10-19 J

Par convention, le niveau d'énergie correspondant à l'ionisation (l'électron quitte l'atome) est nul. Dans ces conditions tous les autres niveaux sont négatifs.

Les transitions énergétiques

Quand l'électron gagne de l'énergie la transition s'effectue vers le haut.

A contrario, lors d'une émission de lumière l'électron subit une transition vers le bas.

Comme les niveaux sont quantifiés, les transitions n'ont lieu que pour des valeurs d'énergies bien précises.

La transition entre les niveaux "i" et "j" se produit en absorbant ou en émettant un rayonnement d'énergie  :

ΔE = |Ej - Ei|

Émission électronique

 Énergie et longueur d'onde

L'énergie d'un rayonnement est liée à sa longueur d'onde. Plus la longueur d'onde est faible, plus le rayonnement est énergétique.

La relation suivante relie la longueur d'onde à l'énergie de la transition.

  • h : constante de Planck = 6,63.10-34 J.s

  • c : célérité de la lumière en m.s-1

  • λ : longueur d'onde en m

ExempleLongueur d'onde d'un rayonnement

Quelle est la longueur d'onde du rayonnement émis lors de la transition du niveau n=3 vers le niveau n=2 de l'atome d'hydrogène ?

Le diagramme donne une différence d'énergie  :

ΔE = |E3 - E2 | = 2,89 eV = 2,89 x 1,6.10-19 = 4,6.10-19 J

La relation précédente donne :

Énergie et fréquence

La fréquence d'une onde est liée à sa longueur d'onde par la relation :

  • ν : fréquence en Hz

  • c : célérité de l'onde en m/s

  • λ : longueur d'onde en m

La relation liant l'énergie et la fréquence est alors 

ExempleFréquence d'un rayonnement

Quelle doit être la fréquence d'un rayonnement capable d'ioniser un atome d'hydrogène ?

Le diagramme énergétique montre qu'il faut une énergie d'au moins 13,6 eV soit E = 13,6 x 1,6.10-19 = 2,18.10-18 J

La fréquence sera de :

  1. Photon

    Le photon est la particule associé au rayonnement lumineux.

    C'est une particule sans masse qui se déplace à la vitesse de la lumière dans le vide.

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