Interaction lumière matière

Cours de Physique – Chimie : Interaction lumière – matière
Première S
Partie : Observer
Thème : Sources de lumière colorée
Chap. IV Interaction lumière ­ matière
Compétences attendues :
• Interpréter les échanges d'énergie entre lumière et matière à l'aide du modèle corpusculaire de la
lumière.
c
λ= ν
et
Δ E=h ν
•
Connaître les relations
et les utiliser pour exploiter un diagramme de
•
niveau d'énergie.
Expliquer les caractéristiques (forme, raies) du spectre solaire.
I. Lumière et énergie
–
Pour émettre de la lumière, la matière doit recevoir de l'énergie.
Ex : les piles s'usent lorsque l'on fait fonctionner une lampe de poche.
–
A l'inverse, de l'énergie est récupérée lorsque la lumière est absorbée par la matière.
Ex : la lumière du Soleil alimente les piles photovoltaïques des panneaux solaires, chauffe l'atmosphère.
II. La lumière : onde ou particules ?
1°) Le modèle ondulatoire et son insuffisance
Les ondes lumineuses appartiennent au domaine des ondes électromagnétiques : chaque radiation lumineuse est caractérisée par sa longueur d'onde dans le vide λ.
Le modèle ondulatoire de la lumière est indispensable pour étudier la propagation de la lumière mais est insuffisant pour décrire les échanges d'énergie entre matière et lumière.
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2°) Le modèle corpusculaire de la lumière
Dans le système international, l'unité de l'énergie est le joule (J).
Les valeurs des énergies des atomes exprimées en joule étant extrêmement faibles, on utilisera souvent comme unité d'énergie l'électron­volt :
1 eV = 1,60 x 10­19 J
3°) La lumière
: onde et particule On peut modéliser la lumière par un déplacement de particules de masse nulle, les photons.
On dit pour cela que la lumière à une structure corpusculaire.
III. Quantification des niveaux d'énergie de la matière
1°) Quantification de l'énergie d'un atome
Le diagramme de niveau d'énergie d'un atome représente les niveaux d'énergie possibles de cet atome.
L'état de plus basse énergie correspond à l'état fondamental : c'est l'état stable de l'atome.
Les autres états, d'énergie supérieure, sont qualifiés d'états excités. Il en existe une infinité.
Dans l'état d'énergie nulle, l'atome est ionisé (il a perdu un électron).
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2°) Interaction lumière ­ matière
: émission et absorption A un changement d'état d'un atome ou d'un ion correspond l'émission ou l'absorption d'un photon par cette entité chimique: on parle de transition, symbolisée par une flèche sur un diagramme d'énergie.
•
Absorption d'un photon :
•
Emission d'un photon :
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IV. Le spectre solaire
L'étude du spectre solaire nous renseigne sur sa température de surface et sur la composition chimique de son atmosphère.
Doc. 4 Courbe spectrale du Soleil
1°) Température de surface du Soleil
La surface solaire (la photosphère) émet par incandescence un rayonnement continu assimilable à celui d'un corps noir dont la température est de l'ordre de 5800 K.
2°) Composition chimique de l'atmosphère de Soleil
Le fond continu du spectre solaire est dû au rayonnement thermique de la photosphère.
Les entités chimiques présentes dans l'atmosphère du Soleil, la chromosphère, absorbent sélectivement certaines radiations émises par la photosphère. L'analyse du spectre d'absorption permet d'identifier les éléments présents dans la chromosphère.
Remarque : Le spectre solaire observé depuis le sol terrestre contient en outre quelques raies d'absorption dues à l'atmosphère terrestre.
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