Spectres de raies - c'est peut-être l'un des sujets importants qui sont pris en compte dans le cours de physique de 8e année dans la section d'optique. Il est important car il nous permet de comprendre la structure atomique, ainsi que d'utiliser ces connaissances pour étudier notre Univers. Considérons ce problème dans l'article.
Le concept de spectre électromagnétique
Tout d'abord, expliquons le sujet de l'article. Tout le monde sait que la lumière du soleil que nous voyons est constituée d'ondes électromagnétiques. Toute onde est caractérisée par deux paramètres importants - sa longueur et sa fréquence (sa troisième propriété non moins importante est l'amplitude, qui reflète l'intensité du rayonnement).
Dans le cas du rayonnement électromagnétique, les deux paramètres sont liés dans l'équation suivante: λν=c, où les lettres grecques λ (lambda) et ν (nu) désignent généralement la longueur d'onde et sa fréquence, respectivement, et c est la vitesse de la lumière. Comme ce dernier est une valeur constante pour le vide, la longueur et la fréquence des ondes électromagnétiques sont inversement proportionnelles l'une à l'autre.
Le spectre électromagnétique en physique est accepténommer l'ensemble des différentes longueurs d'onde (fréquences) qui sont émises par la source de rayonnement correspondante. Si la substance absorbe mais n'émet pas d'ondes, on parle alors de spectre d'adsorption ou d'absorption.
Que sont les spectres électromagnétiques ?
En général, il existe deux critères pour leur classification:
- Par fréquence de rayonnement.
- Selon la méthode de distribution des fréquences.
Nous ne nous attarderons pas sur la prise en compte du 1er type de classement dans cet article. Ici, nous ne dirons que brièvement qu'il existe des ondes électromagnétiques de hautes fréquences, appelées rayonnement gamma (>1020 Hz) et rayons X (1018 -10 19 Hz). Le spectre ultraviolet est déjà des fréquences plus basses (1015-1017 Hz). Le spectre visible ou optique se situe dans la gamme de fréquence 1014 Hz, ce qui correspond à un ensemble de longueurs allant de 400 µm à 700 µm (certains sont capables de voir un peu plus "large"): de 380 µm à 780 µm). Les basses fréquences correspondent au spectre infrarouge ou thermique, ainsi qu'aux ondes radio, qui peuvent déjà faire plusieurs kilomètres de long.
Plus tard dans l'article, nous examinerons de plus près le 2e type de classification, qui est noté dans la liste ci-dessus.
Spectre d'émission linéaire et continu
Absolument toute substance, si elle est chauffée, émettra des ondes électromagnétiques. Quelles seront leurs fréquences et longueurs d'onde ? La réponse à cette question dépend de l'état d'agrégation de la substance étudiée.
Les liquides et les solides émettent, en règle générale, un ensemble continu de fréquences, c'est-à-dire que la différence entre elles est si petite que l'on peut parler d'un spectre continu de rayonnement. À son tour, si un gaz atomique à basse pression est chauffé, il commencera à "briller", émettant des longueurs d'onde strictement définies. Si ces derniers sont développés sur un film photographique, il s'agira alors de lignes étroites, chacune étant responsable d'une fréquence spécifique (longueur d'onde). Par conséquent, ce type de rayonnement s'appelait le spectre d'émission de raies.
Entre ligne et continu, il existe un type intermédiaire de spectre, qui émet généralement un gaz moléculaire plutôt qu'atomique. Ce type est constitué de bandes isolées, dont chacune, lorsqu'elle est examinée en détail, consiste en des lignes étroites séparées.
Spectre d'absorption des raies
Tout ce qui a été dit dans le paragraphe précédent faisait référence au rayonnement des ondes par la matière. Mais il a aussi un pouvoir absorbant. Réalisons l'expérience habituelle: prenons un gaz atomique froid déchargé (par exemple, de l'argon ou du néon) et laissons passer la lumière blanche d'une lampe à incandescence. Après cela, nous analysons le flux lumineux traversant le gaz. Il s'avère que si ce flux est décomposé en fréquences individuelles (cela peut être fait à l'aide d'un prisme), des bandes noires apparaissent alors dans le spectre continu observé, ce qui indique que ces fréquences ont été absorbées par le gaz. Dans ce cas, on parle d'un spectre d'absorption de raie.
Au milieu du XIXème siècle. Scientifique allemand nommé GustavKirchhoff a découvert une propriété très intéressante: il a remarqué que les endroits où apparaissent les lignes noires sur le spectre continu correspondent exactement aux fréquences du rayonnement d'une substance donnée. Actuellement, cette fonctionnalité s'appelle la loi de Kirchhoff.
Séries Balmer, Liman et Pashen
Depuis la fin du 19ème siècle, les physiciens du monde entier ont cherché à comprendre ce que sont les spectres de raies du rayonnement. Il a été constaté que chaque atome d'un élément chimique donné, dans toutes les conditions, présente la même émissivité, c'est-à-dire qu'il émet des ondes électromagnétiques de fréquences spécifiques uniquement.
Les premières études détaillées sur cette question ont été menées par le physicien suisse Balmer. Dans ses expériences, il a utilisé de l'hydrogène gazeux chauffé à haute température. Étant donné que l'atome d'hydrogène est le plus simple de tous les éléments chimiques connus, il est plus facile d'étudier les caractéristiques du spectre de rayonnement sur celui-ci. Balmer a obtenu un résultat étonnant, qu'il a écrit sous la forme suivante:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Ici λ est la longueur de l'onde émise, RH - une valeur constante, qui pour l'hydrogène est égale à 1, 097107 m -1, n est un entier commençant par 3, soit 3, 4, 5 etc.
Toutes les longueurs λ obtenues à partir de cette formule se situent dans le spectre optique visible par l'homme. Cette série de valeurs λ pour l'hydrogène est appelée le spectreBalmer.
Par la suite, en utilisant l'équipement approprié, le scientifique américain Theodore Liman a découvert le spectre ultraviolet de l'hydrogène, qu'il a décrit avec une formule similaire à celle de Balmer:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Enfin, un autre physicien allemand, Friedrich Paschen, a obtenu une formule pour l'émission d'hydrogène dans le domaine infrarouge:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Néanmoins, seul le développement de la mécanique quantique dans les années 1920 pourrait expliquer ces formules.
Rutherford, Bohr et le modèle atomique
Dans la première décennie du XXe siècle, Ernest Rutherford (physicien britannique d'origine néo-zélandaise) a mené de nombreuses expériences pour étudier la radioactivité de divers éléments chimiques. Grâce à ces études, le premier modèle de l'atome est né. Rutherford croyait que ce "grain" de matière se composait d'un noyau électriquement positif et d'électrons négatifs tournant sur ses orbites. Les forces de Coulomb expliquent pourquoi l'atome "ne se désagrège pas", et les forces centrifuges agissant sur les électrons sont la raison pour laquelle ces derniers ne tombent pas dans le noyau.
Tout semble être logique dans ce modèle, sauf un mais. Le fait est que lorsqu'elle se déplace le long d'une trajectoire curviligne, toute particule chargée doit émettre des ondes électromagnétiques. Mais dans le cas d'un atome stable, cet effet n'est pas observé. Ensuite, il s'avère que le modèle lui-même est erroné ?
Les modifications nécessaires y ont été apportéesun autre physicien est le Danois Niels Bohr. Ces modifications sont maintenant connues sous le nom de ses postulats. Bohr a introduit deux propositions dans le modèle de Rutherford:
- les électrons se déplacent sur des orbites stationnaires dans un atome, alors qu'ils n'émettent ni n'absorbent de photons;
- le processus de rayonnement (absorption) ne se produit que lorsqu'un électron se déplace d'une orbite à une autre.
Quelles sont les orbites de Bohr stationnaires, nous les examinerons dans le paragraphe suivant.
Quantification des niveaux d'énergie
Les orbites stationnaires d'un électron dans un atome, dont Bohr a parlé pour la première fois, sont des états quantiques stables de cette onde de particules. Ces états sont caractérisés par une certaine énergie. Ce dernier signifie que l'électron dans l'atome se trouve dans un "puits" d'énergie. Il peut entrer dans une autre « fosse » s'il reçoit de l'extérieur de l'énergie supplémentaire sous la forme d'un photon.
Dans les spectres d'absorption et d'émission des raies pour l'hydrogène, dont les formules sont données ci-dessus, vous pouvez voir que le premier terme entre parenthèses est un nombre de la forme 1/m2, où m=1, 2, 3.. est un entier. Il reflète le numéro de l'orbite stationnaire vers laquelle l'électron passe d'un niveau d'énergie supérieur n.
Comment étudient-ils les spectres dans le visible ?
Il a déjà été dit plus haut que des prismes de verre sont utilisés pour cela. Cela a été fait pour la première fois par Isaac Newton en 1666, lorsqu'il a décomposé la lumière visible en un ensemble de couleurs arc-en-ciel. La raison pourlequel cet effet est observé réside dans la dépendance de l'indice de réfraction à la longueur d'onde. Par exemple, la lumière bleue (ondes courtes) est réfractée plus fortement que la lumière rouge (ondes longues).
Notez que dans le cas général, lorsqu'un faisceau d'ondes électromagnétiques se déplace dans n'importe quel milieu matériel, les composantes à haute fréquence de ce faisceau sont toujours réfractées et diffusées plus fortement que celles à basse fréquence. Un excellent exemple est la couleur bleue du ciel.
Lentille optique et spectre visible
Lorsque vous travaillez avec des lentilles, la lumière du soleil est souvent utilisée. Comme il s'agit d'un spectre continu, lorsqu'il traverse la lentille, ses fréquences sont réfractées différemment. En conséquence, le dispositif optique est incapable de collecter toute la lumière en un point et des nuances irisées apparaissent. Cet effet est connu sous le nom d'aberration chromatique.
Le problème indiqué de l'optique des lentilles est partiellement résolu en utilisant une combinaison de verres optiques dans des instruments appropriés (microscopes, télescopes).
