Quantification de l`énergie des atomes
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Quantification de l`énergie des atomes
Seconde – Sciences Physiques et Chimiques 1ère Partie : L’Univers – Chapitre 3 Activité 3.3 Correction Quantification de l’énergie des atomes En 1911, Ernest Rutherford propose une représentation simple de l’atome, en imaginant un noyau autour duquel "gravitent" les électrons. Ce modèle élégant, appelé aussi "modèle planétaire de l'atome", s'est révélé rapidement insuffisant pour expliquer des résultats expérimentaux tels que les spectres atomiques d’émission ou d’absorption de l’atome d’hydrogène, l’expérience de Franck et Hertz ou encore l’effet photoélectrique. Nous allons rappeler ici les résultats qui découlent de l’analyse du spectre atomique d’émission de l’atome d’hydrogène Lorsque l'on l’excite, électriquement par exemple au sein d’un « tube néon », l’hydrogène fournit de la lumière rosâtre : l’analyse spectrale de cette lumière montre de très nettes différences entre la lumière blanche et celle de la lampe à hydrogène. Spectre de la lumière blanche Spectre de raies d’émission de l’hydrogène L'obtention d'un spectre d’émission constitué de raies ne peut s’expliquer qu’en attribuant une "structure" discontinue à l'énergie électronique de l'atome d'hydrogène. En effet, si l'énergie électronique variait de manière continue, le spectre observé traduirait cette continuité et conduirait à un spectre de bandes. L’observation d’un spectre de raies montre donc que l'énergie électronique de l'atome d'hydrogène ne peut prendre que des valeurs bien définies appelées niveaux d'énergie électroniques de l'atome. On dit encore que l’énergie électronique de l’atome d’hydrogène est quantifiée. Les différentes raies observées traduisent les variations de l'énergie de l'électron, c'est-à-dire son passage entre les différents états énergétiques qu'il peut occuper. Ces changements de niveaux électroniques sont appelés transitions électroniques. Lorsque l'électron gagne de l'énergie en changeant de niveau, on observe une raie d'absorption. Si l'électron perd de l'énergie, le phénomène conduit à une raie d'émission. Le diagramme ci-contre schématise quelques transitions correspondant aux spectres d’émission et d’absorption de l’atome d’hydrogène. 1 Seconde – Sciences Physiques et Chimiques 1ère Partie : L’Univers – Chapitre 3 Activité 3.3 Correction Les électrons sont donc répartis en couches d’énergie autour du noyau. Ces couches sont plus ou moins proches du noyau ; la plus proche est nommé couche K (noyau se dit Kern, en allemand) et les suivantes suivent l’ordre alphabétique. Généralisation aux autres atomes En réalité, tous les atomes présentent un spectre d’émission particulier, différant par la position de leurs raies. Les atomes diffèrent les uns des autres par le nombre, l’énergie et surtout le remplissage des couches d’énergie (ils ont des nombres d’électrons différents). Spectre du mercure Règles de remplissage A la manière des fans qui investissent une salle de spectacle, le premier rang se remplit, puis le second, et ainsi de suite… Le remplissage des couches est formalisé par la structure électronique de l’atome. Sur les couches, le nombre d’électrons est limité : 2n² électrons maximum pour la couche de numéro n. n=1 n=2 n=3 n=4 K L M N 2 8 18 32 Nom de la couche Nb maximal d’électrons exemples de structures électroniques Z Structure électronique Carbone (C) 6 (K)2 (L)4 7 Oxygène (O) 8 (K)2 (L)5 (K)2 (L)6 Azote (N) Fluor (F) Néon (Ne) Sodium (Na) 9 10 11 (K)2 (L)7 (K)2 (L)8 (K)2 (L)4(M)1 Le rôle essentiel de la couche externe La couche externe est la dernière couche dans laquelle des électrons sont répartis ; c’est donc la couche qui délimite l’atome (expliquant d’ailleurs pourquoi certains atomes sont plus gros que d’autres). Elle sert d’interface avec le monde extérieur et les autres atomes : de ce fait, elle conditionne la façon dont l’atome va se comporter – et réagir – par rapport à l’environnement extérieur… Tous les mécanismes chimiques s’expliquent en considérant les électrons de la couche externe. 2