Effet photoélectrique et niveaux d'énergie de l'atome

Thèmes abordés

Effet photoélectrique, énergie de l'atome, atomes, photon, physique quantique, spectre lumineux, ionisation, postulats de Bohr, Einstein, hypothèses d'Einstein, expérience de Hertz

Résumé du document

Pour interpréter l'effet photoélectrique, Einstein émet la théorie suivante : la lumière est constituée de particule de masse nulle appelée photon qui se propage à la vitesse de la lumière. Chaque photon transporte un paquet d'énergie appelé quantum et proportionnel à la fréquence de la radiation W=h?=hc/?.
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Pour étudier un spectre lumineux d'un élément chimique, on utilise des ampoules spectrales (ampoules contenant sous faible pression des vapeurs de l'élément chimique à étudier) et un spectroscope. L'atome ne peut exister que dans certains états d'énergie bien définis, caractérisé par des niveaux d'énergie dont les valeurs sont multiples d'un même nombre : les énergies de l'atome sont quantifiées. De même, les variations d'énergie entre d'un niveau sont quantifiées.

Extraits

[...] 1° Spectre d'émission de l'atome d'hydrogène Il est constitué de 4 raies. 656nm 486nm 434nm 410nm C'est un spectre discontinu. Chaque raie (couleur) correspond à une radiation électromagnétique de longueur d'onde bien définie. 2° Spectre d'absorption de l'atome d'hydrogène Ce sont des bandes noires situées à la même position que les raies d'émission. 656nm 486nm 434nm 410nm Ces deux spectres (émission et absorption) sont superposables .Un élément chimique absorbe les mêmes radiations qu'il peut émettre. [...]

[...] De même les variations d'énergie entre d'un niveau sont quantifiées. Un photon de fréquence nulle ne peut être émis ou absorbé que lorsque l'énergie qu'il transporte est exactement égale à la différence d'énergie entre deux niveaux Ε=hυ =Εn-Ep 2° Diagramme énergétique 3° Les transitions électroniques Emission : Retour à l'état fondamental (désexcitation) Absorption : passage de l'état fondamental à un état excité 4° Conclusion La discontinuité du spectre des raies atomiques traduit l'existence de niveaux d'énergie dans l'atome et sa quantification. [...]

[...] Si l'atome est initialement à l'état fondamental alors : Ei=Einfinity-E1=0-(-E0) Ei=E0 3° Relation de Balmer : Constante de Rydberg Pour une transition E=En-Ep=-E0n2--E0p2 E=-E0n2+E0p2=E01p2-1n2 Or : E=hcλ hcλ=E01p2-1n2 1λ=E0hc1p2-1n2 1λ :nombre d'onde(σ) E0hc :RH (c'est la constante de Rydberg) 1λ=RH 1p2-1n2 ( Relation de Balmer ) IV° / Généralisation aux autres atomes Pour les autres atomes la présence de sous - couches dans les niveaux d'énergie rend complexe l'étude des transitions électroniques. En effet, en dehors du nombre quantique principal interviennent d'autres paramètres appelés nombre quantique secondaire .Par soucis de simplification, l'étude des niveaux d'énergie des autres atomes se fera par le passage à la formation d'hydrogénoide. [...]

[...] Si un photon d'énergie hυ interagit avec un électron dit métal dont le travail d'extension W0=hυo est inférieur à l'énergie du photon alors l'électron est émis avec une énergie cinétique. Ec=hυ-hυo=12mVmax2 2°) Fréquence seuil υo C'est la fréquence au-delà de laquelle il existe photoélectrique on a : υo=w0h Si υ>=υo (λ≤λ0) il y aura effet photoélectrique Si υλ0) il n'y aura pas d'effet photoélectrique. Métal w0 υo Zn 3,4 ev 8,7.1014Hz K 2,2 ev 5,3.1014Hz Cs 1,9 ev 4,6.1014Hz III/ Dualité onde - corpuscule La lumiére à un double caractére : Un aspect corpusculaire qui permet d'expliquer l'interaction lumiére - matiére (effet photo électrique ) Un aspect ondulatoire qui permet d'expliquer l'innteraction lumiére- lumiére (interférence lumineuse Ces deux aspects sont complémentaires et non exclusifs : on parle de dualité onde corpuscule . [...]