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“MPSI-fin” — 2013/7/22 — 9:45 — page 81 — #89
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QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE
Le tube contient du dihydrogène sous faible pression (de l’ordre de 10 −3 bar), une décharge
est opérée et ionise partiellement le dihydrogène H 2 . Les ions générés sont accélérés par
la différence de potentiel régnant entre les deux électrodes et percutent à grande vitesse les
molécules de dihydrogène en provoquant la dissociation en atomes d’hydrogène, ainsi que
l’excitation des atomes formés. Les atomes ne gardent que très peu de temps cet excédent
d’énergie : ils le libèrent sous forme de lumière (on dit qu’ils se désexcitent). Le rayonnement émis est constitué d’une série de raies de longueurs d’onde différentes. C’est le spectre
d’émission de l’atome d’hydrogène.
Constats expérimentaux
En examinant le résultat de l’expérience, nous constatons les faits suivants.
• Seuls certains rayonnements, d’énergies toutes particulières, sont émis par l’atome d’hydrogène. Représenté selon un axe gradué en longueur d’onde, le spectre prend la forme
d’un ensemble de raies. Usuellement le spectre d’émission de l’atome d’hydrogène est
qualifié de spectre de raies. L’énergie des rayonnements émis est quantifiée (notion introduite par PLANCK dès 1900).
• Les raies apparaissent par groupes : le spectre est composé de plusieurs séries de raies.
La première série est observée par BALMER en 1885 (série située dans le domaine visible). LYMAN découvre une série dans l’ultra-violet en 1906, puis PASCHEN localise une
nouvelle série dans le domaine infra-rouge en 1909. De façon postérieure aux théories de
BOHR, BRACKET et PFUND identifient deux nouvelles séries en 1922 et 1924.
• Au sein d’une même série les raies ne sont pas séparées d’une même longueur d’onde : les
raies se rapprochent quand la longueur d’onde diminue et semblent tendre vers une raie
limite (voir figure 2.8).
λ
E
Série de PASCHEN
Série de LYMAN
Série de BALMER
domaine visible
FIGURE 2.8 – Séries de raies
De façon symétrique, il est possible d’observer le spectre d’absorption d’un atome. Pour
obtenir le spectre d’absorption atomique d’un atome, un échantillon contenant des atomes de
cet élément à l’état gazeux est soumis à un rayonnement incident. Ce rayonnement incident
est constitué par un spectre continu (il contient toutes les longueurs d’onde d’une fraction
du spectre électromagnétique). Le rayonnement est analysé après son passage dans l’échantillon ; il ne contient plus les longueurs d’onde qui ont été absorbées (ces longueurs d’onde
sont les mêmes que celles mises en évidence par un spectre d’émission atomique du même
élément). En pratique, un spectre d’absorption se présente sous forme d’un spectre continu
dont certaines radiations sont manquantes (absorbées). Les radiations absorbées apparaissent
sous forme de fines raies noires. De façon tout à fait empirique, les spectroscopistes ont
constaté que le nombre d’onde σ des radiations émises (ou absorbées) dans le cas de l’atome
d’hydrogène (isotope 1
1 H) vérifie la relation suivante, dite de RITZ-RYDBERG :
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QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE
Le tube contient du dihydrogène sous faible pression (de l’ordre de 10 −3 bar), une décharge
est opérée et ionise partiellement le dihydrogène H 2 . Les ions générés sont accélérés par
la différence de potentiel régnant entre les deux électrodes et percutent à grande vitesse les
molécules de dihydrogène en provoquant la dissociation en atomes d’hydrogène, ainsi que
l’excitation des atomes formés. Les atomes ne gardent que très peu de temps cet excédent
d’énergie : ils le libèrent sous forme de lumière (on dit qu’ils se désexcitent). Le rayonnement émis est constitué d’une série de raies de longueurs d’onde différentes. C’est le spectre
d’émission de l’atome d’hydrogène.
Constats expérimentaux
En examinant le résultat de l’expérience, nous constatons les faits suivants.
• Seuls certains rayonnements, d’énergies toutes particulières, sont émis par l’atome d’hydrogène. Représenté selon un axe gradué en longueur d’onde, le spectre prend la forme
d’un ensemble de raies. Usuellement le spectre d’émission de l’atome d’hydrogène est
qualifié de spectre de raies. L’énergie des rayonnements émis est quantifiée (notion introduite par PLANCK dès 1900).
• Les raies apparaissent par groupes : le spectre est composé de plusieurs séries de raies.
La première série est observée par BALMER en 1885 (série située dans le domaine visible). LYMAN découvre une série dans l’ultra-violet en 1906, puis PASCHEN localise une
nouvelle série dans le domaine infra-rouge en 1909. De façon postérieure aux théories de
BOHR, BRACKET et PFUND identifient deux nouvelles séries en 1922 et 1924.
• Au sein d’une même série les raies ne sont pas séparées d’une même longueur d’onde : les
raies se rapprochent quand la longueur d’onde diminue et semblent tendre vers une raie
limite (voir figure 2.8).
λ
E
Série de PASCHEN
Série de LYMAN
Série de BALMER
domaine visible
FIGURE 2.8 – Séries de raies
De façon symétrique, il est possible d’observer le spectre d’absorption d’un atome. Pour
obtenir le spectre d’absorption atomique d’un atome, un échantillon contenant des atomes de
cet élément à l’état gazeux est soumis à un rayonnement incident. Ce rayonnement incident
est constitué par un spectre continu (il contient toutes les longueurs d’onde d’une fraction
du spectre électromagnétique). Le rayonnement est analysé après son passage dans l’échantillon ; il ne contient plus les longueurs d’onde qui ont été absorbées (ces longueurs d’onde
sont les mêmes que celles mises en évidence par un spectre d’émission atomique du même
élément). En pratique, un spectre d’absorption se présente sous forme d’un spectre continu
dont certaines radiations sont manquantes (absorbées). Les radiations absorbées apparaissent
sous forme de fines raies noires. De façon tout à fait empirique, les spectroscopistes ont
constaté que le nombre d’onde σ des radiations émises (ou absorbées) dans le cas de l’atome
d’hydrogène (isotope 1
1 H) vérifie la relation suivante, dite de RITZ-RYDBERG :
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