⚛ Spécialité Physique-Chimie · Physique Première Générale · Chapitre 9

Lumière : ondes et photons

Ondes électromagnétiques et domaines de longueurs d'onde, modèle du photon, énergie d'un photon, niveaux d'énergie d'un atome, émission et absorption.

1. Modèle ondulatoire

Définition

La lumière est une onde électromagnétique : elle se propage même dans le vide, à la célérité $c = 3{,}00 \times 10^8$ m/s. Elle est caractérisée par sa fréquence $\nu$ et sa longueur d'onde dans le vide $\lambda = \dfrac{c}{\nu}$.

?XUVvisibleIRmicro-ondesradio? petite (énergie grande)? grande400 nm800 nm
Le spectre électromagnétique : la lumière visible n'en est qu'une petite partie.

2. Modèle corpusculaire : le photon

Définition

La lumière est aussi constituée de photons, particules de masse nulle transportant chacune l'énergie :

$$E = h\nu = \dfrac{hc}{\lambda} \qquad h = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{s}\ \text{(constante de Planck)}.$$

À l'échelle atomique, on utilise l'électronvolt : $1$ eV $= 1{,}60 \times 10^{-19}$ J.

Exemple

Un photon rouge ($\lambda = 650$ nm) : $E = \dfrac{6{,}63 \times 10^{-34} \times 3{,}00 \times 10^8}{650 \times 10^{-9}} \approx 3{,}06 \times 10^{-19}$ J $\approx 1{,}9$ eV.

3. Niveaux d'énergie de l'atome

Propriété · Quantification

L'énergie d'un atome ne peut prendre que certaines valeurs : ses niveaux d'énergie sont quantifiés. Le niveau le plus bas est le niveau fondamental, les autres sont des niveaux excités.

Propriété · Émission et absorption

Quand l'atome passe d'un niveau $E_p$ à un niveau inférieur $E_n$, il émet un photon d'énergie $E_p - E_n = h\nu$. Il peut absorber un photon seulement si son énergie correspond exactement à l'écart entre deux niveaux. D'où les spectres de raies : chaque raie correspond à une transition.

n = 1 (fondamental)-13,6 eVn = 2-3,4 eVn = 3-1,51 eVn = 4-0,85 eVE = 0 (ionisation)0 eV656 nm486 nmabsorption
Diagramme des niveaux d'énergie de l'hydrogène : les transitions vers n = 2 donnent les raies visibles (échelle verticale non linéaire).

Expérience · Identifier un gaz par ses raies

Matérielspectroscope à réseau gradué en nm, lampe à vapeur d'hydrogène.
ProtocoleOn observe le spectre de la lampe et on relève les longueurs d'onde des raies. On calcule l'énergie des photons correspondants et on la compare aux écarts entre niveaux d'énergie.
ObservationOn observe notamment une raie rouge à $656$ nm et une raie bleu-vert à $486$ nm.
Interprétation$E = \dfrac{hc}{\lambda}$ donne $1{,}89$ eV pour $656$ nm, égal à $E_3 - E_2 = -1{,}51 - (-3{,}40)$ ; et $2{,}55$ eV pour $486$ nm, égal à $E_4 - E_2$. Chaque raie correspond à une transition entre niveaux.

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Exercices corrigés

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1

Longueur d'onde et fréquence

★☆☆

Calculer la fréquence d'une radiation de $500$ nm.

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2

Domaines

★☆☆

Classer : $\lambda = 10$ cm ; $300$ nm ; $10^{-11}$ m ; $5$ µm ; $600$ nm.

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3

Énergie d'un photon

★☆☆

Calculer l'énergie d'un photon de $400$ nm en J puis en eV.

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4

Longueur d'onde à partir de l'énergie

★★☆

Un photon a une énergie de $2{,}0$ eV. Calculer sa longueur d'onde et sa couleur.

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5

UV dangereux

★★☆

Comparer l'énergie d'un photon UV ($250$ nm) et d'un photon IR ($1\,000$ nm). Pourquoi les UV abîment-ils la peau ?

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6

Transition de l'hydrogène

★★☆

Avec le diagramme du cours, calculer l'énergie du photon émis lors de la transition $n = 3 \to n = 2$, puis sa longueur d'onde.

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7

Absorption possible ?

★★☆

Un atome d'hydrogène dans l'état fondamental peut-il absorber un photon de $10{,}2$ eV ? De $11$ eV ?

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8

Ionisation

★★☆

Quelle énergie minimale faut-il pour ioniser un atome d'hydrogène dans l'état fondamental ? Longueur d'onde correspondante ?

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9

Laser

★★☆

Un laser de $1{,}0$ mW émet à $633$ nm. Combien de photons émet-il par seconde ?

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10

Micro-ondes

★★☆

Un four à micro-ondes fonctionne à $2{,}45$ GHz. Calculer la longueur d'onde et l'énergie d'un photon (en eV).

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11

Raies du sodium

★★☆

La lampe à sodium émet à $589$ nm. Calculer l'écart entre les deux niveaux d'énergie concernés, en eV.

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12

Spectre de raies

★☆☆

Pourquoi le spectre d'émission d'un gaz est-il constitué de raies et non continu ?

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13

Émission et absorption

★★☆

Expliquer pourquoi les raies d'absorption d'un gaz sont aux mêmes longueurs d'onde que ses raies d'émission.

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14

Cellule photovoltaïque

★★★

Un matériau de cellule solaire nécessite des photons d'au moins $1{,}1$ eV. Au-delà de quelle longueur d'onde la lumière est-elle inutile ?

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15

Transition n = 4 ? n = 2

★★☆

Calculer la longueur d'onde du photon émis lors de la transition $4 \to 2$ de l'hydrogène.

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16

Rayons X

★★☆

Un photon X a une énergie de $10$ keV. Calculer sa longueur d'onde.

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17

Dualité

★☆☆

Citer un phénomène qui s'explique par le modèle ondulatoire et un autre par le modèle corpusculaire.

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18

Vitesse de la lumière

★☆☆

Combien de temps met la lumière pour parcourir la distance Terre–Lune ($3{,}84 \times 10^8$ m) ?

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19

Comparer deux photons

★★☆

Un photon A a une longueur d'onde deux fois plus grande qu'un photon B. Comparer leurs énergies.

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) La lumière ne se propage pas dans le vide. b) Plus ? est petite, plus le photon est énergétique. c) Un atome peut absorber n'importe quel photon.

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