Niveaux dénergie électronique des atomes - Partie 1

Selon la physique classique, la première loi de Newton suggère que si un électron se déplaçait sur une trajectoire courbe autour du noyau, il aurait une accélération due au changement de direction. La physique classique suggère également qu’une particule chargée en accélération devrait émettre continuellement de l’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Cela signifie que l’électron subirait une perte d’énergie. Mais alors une question pourrait se poser. Si les électrons autour du noyau perdent continuellement de l’énergie, ils devraient finalement s’écraser sur le noyau. Pourquoi cela n'arrive-t-il pas ?.

La structure de l’atome sera détruite si les électrons entrent en collision avec le noyau. Alors, quelle pourrait être la structure réelle des atomes ? Cela défierait-il la physique classique ? Pour répondre à cette question, Bohr a introduit en 1913 la structure de l’atome. Il a présenté l’idée d’énergie fixe et de chemin pour les électrons. Il a postulé que les électrons tournent autour du noyau selon des trajectoires fixes ayant une énergie fixe. Il a également démontré que les électrons ne peuvent sauter entre différents chemins d’énergie fixe autour du noyau qu’en absorbant ou en émettant de l’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique.

Ainsi, lorsqu'un électron passe d'un niveau d'énergie inférieur, disons n=1, à un niveau d'énergie supérieur, disons n=2, il absorbera une quantité spécifique d'énergie égale à la différence d'énergie de ces deux orbitales. L'énergie est absorbée sous forme de rayonnement électromagnétique.

Lorsqu'un électron passe d'un niveau d'énergie supérieur, disons n=2, à un niveau d'énergie inférieur, disons n=1, il libère une énergie égale à la différence d'énergie de ces deux orbitales. L'énergie est émise sous forme de rayonnement électromagnétique.

La différence d’énergie des deux niveaux d’énergie est donnée par la formule indiquée ci-dessusv est la fréquence du rayonnement électromagnétique, E2 est l'énergie de la 2ème couche, E1 est l'énergie de la 1ère couche et h est la constante de Planck. Nous pouvons également écrire cette expression comme indiqué ci-dessous.

Si la différence d’énergie est un entier positif, alors l’énergie est absorbée. S'il s'agit d'un entier négatif, de l'énergie est libérée. Par conséquent, nous pouvons dire que la différence d’énergie entre deux niveaux d’énergie est inversement proportionnelle à la longueur d’onde du rayonnement. Ainsi, plus la différence d’énergie est élevée, plus la longueur d’onde du rayonnement émis ou absorbé sera courte.

Le modèle atomique du carbone de Bohr est donné ci-dessous. Il contient 2 électrons dans la 1ère couche et 4 électrons dans la 2ème couche.

Le modèle de Bohr du fluor contient 2 électrons sur la 1ère couche et 7 électrons sur la 2ème couche.

Les modèles de Bohr de l'aluminium, du phosphore, de l'oxygène et du lithium sont donnés ci-dessous.

Bohr n'a pu expliquer que la perte ou le gain d'énergie entre les couches. Lorsqu'un électron saute d'une couche d'énergie supérieure à une couche d'énergie inférieure, une ligne spectrale est obtenue car l'électron émet de l'énergie dans ce cas. Cependant, en présence d'un champ magnétique, quelque chose de spécial se produit !. Plusieurs lignes spectrales sont visibles. Jetez un œil aux lignes spectrales sans champ magnétique et avec un champ magnétique, illustrées ici. Cela indique qu'il existe également d'autres niveaux d'énergie au sein d'une couche dans lesquels l'électron peut se trouver. On les appelle des orbitales, dont nous parlerons plus tard.

Comme on peut le voir, en l’absence de champ magnétique, il n’y a qu’une seule ligne spectrale. Mais en présence d'un champ magnétique, il y a 3 lignes spectrales. Cela signifie qu’un électron peut sauter des orbitales de niveau d’énergie supérieur à une orbitale de niveau d’énergie inférieur. Chaque orbitale a une énergie différente des autres orbitales. Cela signifie que des longueurs d'onde de rayonnement différentes sont émises lorsque l'électron saute de ces différentes orbitales. Cet effet est connu sous le nom d’ Zeeman effect. Bohr n'a pas non plus été en mesure d'expliquer la séparation des lignes spectrales en présence d'un champ électrique. C’est ce qu’on appelle l’ Stark effect. Bohr n’a pas réussi à expliquer le spectre atomique des atomes autres que l’hydrogène. Lorsqu'un électron d'un atome passe d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau d'énergie inférieur, il émet de l'énergie. Lorsqu’il passe d’un niveau d’énergie inférieur à un niveau d’énergie supérieur, il absorbe de l’énergie. La quantité d’énergie absorbée ou émise dépend de la différence des niveaux d’énergie.

Les électrons absorbent ou émettent une quantité fixe d’énergie et sous forme de photons. Les Photons sont des paquets discrets d’énergie. Par exemple, un photon de lumière red a une énergie spécifique différente d’un photon de lumière bleue. Si la différence d'énergie entre les niveaux d'énergie est égale à l'énergie du photon d'une lumière red , alors la lumière red sera émise ou absorbée selon que l'électron saute d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau inférieur ou d'un niveau inférieur à un niveau d'énergie supérieur. La quantification de l’énergie signifie que l’énergie est libérée ou absorbée par les électrons d’un atome sous forme de photons. Les électrons sont des particules fondamentales. Chaque électron a une énergie spécifique qui lui est associée en fonction du niveau d’énergie dans lequel il se trouve.

Si nous faisons passer des rayonnements électromagnétiques de différentes longueurs d’onde à travers un échantillon contenant des atomes, certains électrons absorberont une longueur d’onde spécifique de rayonnement et s’exciteront à un niveau d’énergie plus élevé. Si nous observons la lumière traversant l’échantillon sur un écran ou un enregistreur, il y aura des trous sombres dans le spectre de la lumière. Disons que la lumière red est absorbée par les électrons d’un atome. Ensuite, sur le spectre, la gamme de longueurs d'onde de la lumière red apparaîtra sombre, indiquant que la lumière red est absorbée par les électrons. Ce spectre résultant de l'absorption de la lumière par les électrons est appelé absorption spectrum. Par exemple, le absorption spectrum de l’hydrogène est montré ici. Les lignes sombres indiquent l'absorption d'une longueur d'onde spécifique de rayonnement par l'électron dans un atome d'hydrogène.

Lorsqu'un électron absorbe de l'énergie et passe à un niveau d'énergie supérieur, il passe à nouveau à un niveau d'énergie inférieur en libérant la même quantité d'énergie qui a été absorbée. L'énergie d'une longueur d'onde spécifique libérée en conséquence est représentée par une ligne spectrale d'émission sur un spectre. Le spectre résultant obtenu est appelé emission spectrum. Ces longueurs d’onde de rayonnement ne sont que celles qui sont libérées lorsque les électrons passent de niveaux d’énergie plus élevés à des niveaux d’énergie plus faibles.

Nous savons que les électrons se comportent comme des particules car ils ont un élan et possèdent une masse spécifique d’environ 9×10^-31kg. En 1924, de Broglie a déclaré que toute particule ayant un moment linéaire peut posséder des propriétés ondulatoires. de Broglie a introduit la longueur d'onde comme l'équation illustrée.

Dérivons cette équation. Selon l'équation de Planck, E est égal à hv où v, est la fréquence et h est la constante de Planck. Comme nous le savons, v est égal à c÷ λ. Par conséquent, l’équation ci-dessus peut être écrite comme indiqué en premier à gauche. Selon l'équation d'Einstein, E est égal à m×c², qui est montré en premier, à droite. En substituant E, on obtient l’équation suivante. m×c² est égal à (h ×c)÷ λ. Ceci, une fois réorganisé, produit l'équation de Broglie. λ= h ÷(m×c).

Dans l'équation de Broglie , nous pouvons voir que la longueur d'onde λ est associée à la masse de la particule. La masse et la longueur d'onde sont inversement proportionnelles l'une à l'autre, ce qui montre que plus la masse de la particule est grande, plus sa longueur d'onde sera courte. Le physicien allemand Max Planck a présenté une theory qui explique l'absorption et l'émission de rayonnement par un black body. Un black body est un corps qui absorbe tous les rayonnements et aucun rayonnement n'est émis lorsqu'il est en équilibre avec l'environnement.

Jetez un oeil à cette illustration. Dans ce cas, la température du black body est en équilibre avec l’environnement.

Maintenant, si nous chauffons ce black body, la couleur passera du noir au red. Ensuite, en chauffant davantage, il deviendra jaune, puis bleu. Mais pourquoi ?.

Commençons d’abord par comprendre l’absorption et l’émission de rayonnement. Planck a montré que lorsqu'un électron passe d'un niveau d'énergie, disons E1, à un autre niveau d'énergie, disons E2, il absorbe une énergie égale à la différence d'énergie de ces deux niveaux d'énergie ∆E. C'est, E2 – E1 = ∆E. Cette différence d’énergie est directement proportionnelle à la fréquence du rayonnement absorbé. On peut dire que la quantité d’énergie absorbée ou émise par un électron est égale à la différence d’énergie des niveaux d’énergie entre lesquels la transition s’est produite. h est la constante de Planck et v est la fréquence du rayonnement émis ou absorbé. Maintenant, pour comprendre comment un black body change de couleur lorsqu'il est chauffé, nous devons noter qu'un black body absorbe tout le rayonnement lorsque sa température est en équilibre avec celle de l'environnement. C'est pourquoi nous l'appelons black body car aucun rayonnement n'est émis dans ce cas.

La température ambiante est de 278K. Lorsque nous chauffons un black body, il absorbe l'énergie de la chaleur et sa couleur change en red. La quantité d’énergie absorbée par un black body dans ce cas est égale à l’énergie de la longueur d’onde red du rayonnement. Après avoir absorbé de l’énergie, il n’est plus en équilibre avec l’environnement. Il émettra donc la même quantité de rayonnement que celle qui a été absorbée. En émettant la même quantité de rayonnement, il apparaît red. On peut dire que la température est directement proportionnelle à l’énergie du rayonnement absorbé. De la même manière, si nous increase encore la température, une énergie égale à la longueur d’onde jaune et bleue du rayonnement sera absorbée et la même quantité d’énergie sera émise pour atteindre l’équilibre.

Ceci est une illustration des longueurs d'onde émises par les étoiles. Il montre l'émission de longueur d'onde de rayonnement par les étoiles jaunes et les étoiles bleues. Les températures correspondantes sont également indiquées.