CH7 – Modèle ondulatoire et particulaire de la lumière
Cours complet de première spécialité : longueur d’onde, photon, énergie, absorption, émission, niveaux d’énergie et spectres de raies.
À retenir en 30 secondes
La lumière peut être décrite comme une onde, avec une fréquence f et une longueur d’onde λ, mais aussi comme un flux de photons. Chaque photon transporte une énergie. Un atome absorbe ou émet seulement certaines énergies : cela crée des raies spectrales, véritables signatures des éléments chimiques.
1. Modèle ondulatoire
La lumière est une onde électromagnétique. Dans le vide ou dans l’air, elle se propage à la célérité :
Avec λ en m, c en m·s⁻¹ et f en Hz.
Visible : environ 400 nm à 800 nm. Plus λ est petite, plus la fréquence et l’énergie sont grandes.
2. Modèle particulaire : le photon
Un photon est un paquet d’énergie transporté par la lumière.
Constante de Planck :
Conversion utile :
3. Interaction lumière – matière
Dans un atome, les électrons occupent des niveaux d’énergie bien précis. Le niveau le plus bas est l’état fondamental E0. Les niveaux plus hauts sont des états excités E1, E2, etc.
Erreur classique : si ΔE est donné en eV, on convertit en joules avant d’utiliser E = hc / λ.
Absorption
Un atome absorbe un photon si l’énergie du photon correspond exactement à l’écart entre deux niveaux.
Électron : niveau bas → niveau haut.
Émission
Un atome excité revient vers un niveau plus bas en émettant un photon.
Électron : niveau haut → niveau bas.
Spectres
Chaque atome possède ses propres raies. Le spectre de raies permet donc d’identifier un élément chimique.
4. Exemple-type complet
Un atome possède E0 = −13,6 eV et E1 = −11,5 eV. On cherche la longueur d’onde absorbée lors de la transition E0 ightarrow E_1.
Exercice intégré niveau bac
Un atome inconnu a pour niveau fondamental E0 = −11,5 eV. Il absorbe des radiations de longueurs d’onde 410 nm et 520 nm correspondant aux transitions E1 − E0 et E2 − E0.
- Calculer ΔE1 en eV puis E1.
- Calculer ΔE2 en eV puis E2.
- Construire le début du diagramme d’énergie.
- Expliquer pourquoi l’observation de ces raies peut identifier l’atome.
5. Mini quiz
Pourquoi la lumière violette est-elle plus énergétique que la lumière rouge ?
Parce que sa longueur d’onde est plus petite, donc sa fréquence est plus grande, et E = h × f.
Quelle condition permet l’absorption d’un photon par un atome ?
L’énergie du photon doit être égale à l’écart entre deux niveaux d’énergie de l’atome.
Quelle est la différence entre spectre continu et spectre de raies ?
Un spectre continu contient toutes les longueurs d’onde d’un domaine ; un spectre de raies contient seulement certaines longueurs d’onde précises.
Pourquoi une raie d’absorption est-elle sombre ?
Parce qu’une radiation précise a été absorbée par les atomes traversés.