Niveaux d'énergie discret
Bonjour,
je suis un peu perdu, je sais qu'un atome contient différentes couches d'énergie (K,L,M etc). J'ai cru comprendre que ce dernier cherchait à les remplir, en suivant les règle du duet et de l'octet. Cependant, j'ai pu lire qu'un atome qui absorbe de l'énergie voit un de ses électrons s'éloigner de son noyau et changer de couche. Mais dans ce cas là, quel électron va changer de couche? Cela ne va t'il pas rendre l'atome instable?
Bonjour.
C'est une vision simplifiée du modèle de l'atome. En plus des couches que tu cites il existe des sous-couches. Les règles du duet et de l'octet ne concernent que les premiers éléments du tableau périodique.Envoyé par Smart-iz
Un électron peut tout à fait changer de couche, peut importe sa couche d'origine. Dans ce cas l'atome sera dit excité. Cela signifie qu'il est dans un état d'énergie supérieure à celui dans lequel il est quand chaque électron est "à sa place". Une fois dans cet état, l'électron va reprendre sa place pour faire baisser l'énergie afin que l'atome se retrouve dans son état initial.
Merci beaucoup de ta réponse,
L'état excité est il possible même si les couches sont complétés ? Imaginons par exemple, est il possible qu'un électron passe de la couche K contenant initialement 2 électrons à la couche L qui en contenait 8? il y aurait donc 9 électrons sur la couche L?
La couche L ne peut pas contenir plus de 8 électrons. Un électron ne peut pas passer à une couche qui est saturée. Il ne peut passer que sur une couche où il y a de la place.
Dernière modification par Kemiste ; 08/07/2016 à 19h58.
merci de ton aide, je pense avoir compris
Rappelons que chaque atome possède une "infinité" de couches électroniques. Si les premières sont les plus basses en énergie, au fur et à mesure qu'on s'élève dans les couches, leurs énergies se rapprochent. L'énergie d'une couche est donnée (en première approximation) parmerci de ton aide, je pense avoir compris
En = - E1/n^2
La première couche (n=1) est également à -E1. La seconde au quart de E1 (-E1/4) et on se rend compte que progressivement quand n augmente, 1/n^2 tend vers 0 et qu'effectivement l'écart diminue.
Les transitions possibles d'une couche partiellement (ou totalement) occupée vers une couche partiellement (ou totalement) vide sont elles aussi infinies.
Cette page de vulgarisation décrit assez bien la situation : http://www.astrosurf.com/adaes/expo-...lumiere-3.html
Re : Niveaux d'énergie discret
Merci encore, et d'après ton lien : "Lorsque l'atome est stable, il est dit dans son état fondamental, il possède l'énergie la plus faible possible. Dans ce cas, les électrons sont les moins agités possible, les plus proches possible du noyau."
Le fait que l'atome soit stable influe donc sur la position des atomes dans les couches, cependant, j'avais crû comprendre que pour qu'il soit stable, ces couches devaient être complétés.
D'après le 2) ; on nous parle de la série de Balmer, mais on s'aperçoit que l'électron ne va pas en dessous du niveau n=2. Pourquoi? On parle de l'atome d'hydrogène qui ne possède q'un électron, donc il y a la place sur sa premiere couche. Parce que si j'ai bien comprit, n=1 correspond à K.
Aussi, on nous dit ceci :"En 4 : Pour le spectre d'absorption de l'hydrogène (4), les longueurs d'onde absorbées (raies noires) sont égales aux longueurs d'onde émises: cette fois, les électrons absorbent l'énergie lumineuse pour passer d'un état à un autre, d'énergie supérieure."
Les électrons sont donc capable de "produire" de la lumière (en tant qu'énergie) mais aussi de l'absorber?
Et encore :"Les corps chauds deviennent luminescents lorsque leur température est suffisante."
A quoi ceci est dû?
Et pour finir, si je me trouve dans l'obscurité, j'éclaire un atome d'hydrogène avec une source de lumière, si j'éteint ma source de lumière, je serai dans l'obscurité complète, cependant, j'ai transmis de l'énergie à l'atome qui cherchera à la perdre, il en "produira" donc et je devrai observer une source de lumière non? Et pourquoi l'atome n'absorberai t'il pas de nouveau la lumière qu'il a évacué?
Merci encore de m'expliquer.
Stable ne veut pas dire grand chose de manière absolue. Il faut toujours penser de manière relative.
La stabilité que tu évoques, c'est à dire un remplissage dans l'ordre strictement croissant des énergies ne s'observe qu'à une seule température, qu'on n'a jamais réussi à atteindre, le fameux "0 absolu". A cette température et à elle seule, tous les atomes, toutes les molécules sont dans l'état dit "fondamental".
Attention, rien n'est au repos, même à cette température. La mécanique quantique nous le montre, il subsiste une énergie résiduelle de vibration.
Par contre dès qu'on chauffe, ne fut-ce que légèrement, les systèmes vont commencer à gagner des niveaux d'énergie supérieure. De manière transitoire bien sûr. Mais si un système excité revient à l'état fondamental en émettant de l'énergie (sous forme de chaleur, de lumière, etc), un autre système va absorber cette énergie et à son tour quitter le niveau fondamental.
Même à nos "basses" températures, soit le 0°C qui corresponde à 273,15 K on est quand même très loin du 0K. Au zéro absolu, les gaz qui nous entourent ne sont même pas liquide, ils sont solides. Quand on voit le temps que met un glaçon pour fondre dans un apéro, on se rend compte qu'il en faut de l'énergie pour passer de -273,15°C à 0°C (l'eau est certes un cas particulier du à son énorme chaleur latente de fusion mais quand même). Si l'eau est liquide et les gaz de l'air, gazeux, c'est parce qu'ils possèdent tellement d'énergie qu'ils peuvent s'affranchir des forces de cohésion présentes dans les solides.
Les atomes ne sont pas très différents. Si on vivait dans un monde à 500°C, l'ionisation qu'on peut voir en jetant un peu de sel dans la flamme (couleur jaune caractéristique des ions sodium) nous apparaitrait habituel.
Pour répondre à ta question sur la série de Balmer, je t'en poserai une autre. Quand tu prends l'ascenseur descends-tu toujours au niveau le plus bas ? Je n'en dirais pas plus. Essaye de comprendre ce qui se passe par toi même. Tu as tous les éléments.
Pour l'absorption, la réponse est oui, bien qu'à proprement parler ce n'est pas l'électron qui absorbe cette énergie mais le système.
Pour ta dernière question, la réponse est oui. Le problème est que ce phénomène (appelé fluorescence) est extrêmement rapide, donc difficile à observer directement. L'atome d'Hydrogène ne va cependant pas capter toutes les ondes émises par la source, seules celles qui correspondent exactement à une différence entre deux niveaux d'énergie (= une des transitions des fameuses séries). Une fois excité, disons sur le niveau n=4, il pourra réemettre des photons de longueur d'onde :
E4->3 = - E1 (1/4^2 - 1/3^2)
E4->2 = - E1 (1/4^2 - 1/2^2)
E4->1 = - E1 (1/4^2 - 1/1^2)
Et nulle autre. Rien n'empêche qu'un autre atome d'Hydrogène situé sur le trajet du photon et qui serait au départ dans un état E1, E2, ou E3 absorbe ce photon pour à son tour passer dans l'état E4.
Re : Niveaux d'énergie discret
Merci c'est super intéressant,
Pour le niveau n=2, je n'ai qu'une proposition de réponse, le fait que l'on vive avec un certain niveau d'énergie ambiant influencerai le système, qui, et de ce fait posséderai une énergie minimal ne peut faire "descendre" les électrons trop proche du noyau d'où le n=2. Ceci impliquerai que si nous vivions a 500°C, le niveau d'énergie ambiant serai plus fort et que la couche "minimum" serai plus haute.
Pour l'atome d'hydrogène, j'ai comprit que le système libérant l'énergie peut la transmettre à un autre en la libérant, cependant, est-il possible que ce même sytème recapte cette énergie et que le processus d'excitation et de retour vers un état plus stable des électrons soit continue jusqu'à ce que la perte d'énergie soit telle que l'électron ne puisse plus atteindre une couche nécessitant un niveau d'énergie plus élevé?
Merci encore, et pour le 0 absolue, il me semble qu'il y a un projet en cours concernant des câbles sans perte d'énergie :
http://www.nexans.fr/eservice/France...ent_pour_.html
(je ne veux pas remettre en cause le fait que tu dises que le 0 absolue n'est jamais été atteint, mais ce sera peut-être bientôt le cas).
Merci encore pour ces précisions !
Après plus de réflexion, je pense m'être trompé dans mon hypothèse,
La série de Balmer concerne le domaine du visible, et les électrons ne descendent pas en dessous du niveau n=2.
Il faut que le sytème relâche une certaine quantité d'énergie pour que l'électron redescende vers une couche inférieur. Le problème étant, pourquoi ce niveau n=2 minimum? on pourrai envisager que le système n'a pas absorbé assez d'énergie pour qu'il puisse en relâcher assez et faire en sorte que l'électron de ce fait ne descende pas plus bas. Cependant, quand n tend vers l'infinie, cette hypothèse est fausse puisque la quantité d'énergie absorbée par le système pourra de ce fait tendre vers l'infini.
J'ai aussi observé qu'on connaît d'autres domaine (Lyman et Paschen), et dans ces domaines, l'électron à pour minimum respectivement les niveaux : n=1 et n=3.
Un système libère de l'énergie sous forme de lumière (du moins dans le cas de l'hydrogène), mais vraiment, je ne comprends pas pourquoi l'atome a pour couches minimum n=1 pour le domaine des UV, n=2 pour le domaine du visible et n=3 pour le domaine IR. Je ne vois pas le lien à faire enfaite, quelqu'un pourrait-il m'expliquer?
Merci encore.
Les 3 séries (Lyman, Balmer, Paschen), ainsi que toutes les suivantes sont toutes visibles en même temps sur les spectres d'absorption ou d'émission de l'hydrogène atomique.
A tout moment, dans un gaz d'hydrogène atomique froid (donc surtout avec des atomes dans l'état fondamental) éclairé avec un spectre continu, vous avez des atomes qui vont s'exciter en absorbant le photon qui va bien. On aura d'abord surtout des transitions partant du niveau 1 vers tous les niveaux supérieurs (raies d'absorption de Lyman), mais les quelques rares atomes excités présents (avec un électron au niveau 2, 3, 4, n...) vont aussi absorber les photons qui vont bien pour passer à des niveaux encore supérieurs, générant les raies d'absorption de Balmer, de Paschen et toutes les suivantes, mais pour l'instant faiblardes par rapport à Lyman. Avec l'excitation de nombreux atomes initialement au niveau 1, une population conséquente d'atome excités se crée, et en un claquement de doigt, les raies d'absorption de Balmer et les suivantes deviennent bien visibles. Il n'y a eu qu'une petite étape transitoire (sans doute inobservable tellement elle doit être courte), le temps qu'il y ait plus d'atomes dans les niveau>1 pour générer les raies d'absorptions complémentaires.
Alors vous allez me dire : "mais au bout d'un moment il n'y aura plus d'atomes dans le niveau 1, puis plus dans le niveau 2 et les absorptions correspondantes devraient disparaitre", mais les atomes ne restent pas longtemps excité, et ils réémettent des photons pour retomber dans des états excités plus bas, voir dans l'état fondamental. Cependant, il émet un peu moins qu'il en reçoit en général : la température du gaz augmente (la température est liée à la statistique des populations d'état excités, vous pouvez allez voir des choses sur la statistique de Maxwell-Boltzmann si cela vous intéresse).
Voila pourquoi on voit toutes les séries en même temps lors de l'absorption.
Considérons un gaz d'hydrogène atomique chauffé fortement, cela signifie, qu'il y a beaucoup d'atomes dans les multiples états excités, et ils vont se désexcité, chacun vers n'importe quel état excité situé plus bas (voire le fondamental), on aura donc des raies d'émission de toutes les séries qui seront générées. Tant que le gaz est chauffé, cela génère des état excités, qui se désexcitent en émettant des photons.
Pourquoi les différentes séries sont dans des domaines différents du spectre? c'est une coïncidence. Il se trouve qu'une transition du niveau 1 à n'importe quel niveau (et inversement) correspond à l'énergie d'un photon dans le domaine UV (de 1 à 2 c'est déjà dans les UV, donc de 1 à n>2, c'est forcément dans les UV parce qu'avec plus d'énergie et ça ne dépassera pas la valeur de l'énergie d'ionisation (niveau "infini") qui est dans les UV aussi (13.6eV)). De même, une transition du niveau 2 à n'importe quel niveau supérieur est dans le visible (de 2 à 3 c'est dans le visible et de 2 à "infini", c'est du visible aussi, mais c'est un peu plus violet...). Idem pour le 3 avec les infrarouges.
La série de Balmer est très connue, car étant entièrement dans le domaine visible, elle "sautait" aux yeux. Le décryptage de tout cela ayant été d'autant plus simple qu'aucune autre série n'empiète dans le visible, on s'est donc concentré d'abord sur cette série là... et Balmer est celui qui a trouvé la relation entre longueurs d'ondes de la série qui porte aujourd'hui son nom.
m@ch3
Never feed the troll after midnight!
Re : Niveaux d'énergie discret
Merci beaucoup d'avoir prit le temps de me répondre,
Donc, si j'ai bien compris, l'atome d'hydrogène qui ne comporte qu'un électron, qu'on suppose non excité et est donc sur sa couche K émet des UV (série de Lyman), si on l'excite, il émettra alors dans le domaine du visible (Balmer) et dans les IR (Paschen) et ainsi de suite en fonction du niveau d'énergie absorbé par le système.
Et pour disons, un atome de Carbone. Cette fois-ci, l'atome comporte 6 électrons sur sa seconde couche L si ils ne sont pas excités. Ce qui veut dire que le système émet et dans les UV et dans le domaine du visible sans être excité? Et donc qu'une fois excité, il émettra dans les IR et plus loin?
Merci encore pour votre réponse, et pour Maxwell-Boltzmann, cela me semble bien compliqué, et plutôt axé sur de la physique tandis que je m'oriente vers de la chimie pour mes études.
non, ce n'est pas encore compris. Un atome d'hydrogène non excité n'émet rien du tout, il ne peut qu'absorber, mais que des UV (certaines fréquences précises), parce que pour passer de n=1 à m>1, c'est forcément une énergie correspondant à des UV.Donc, si j'ai bien compris, l'atome d'hydrogène qui ne comporte qu'un électron, qu'on suppose non excité et est donc sur sa couche K émet des UV (série de Lyman), si on l'excite, il émettra alors dans le domaine du visible (Balmer) et dans les IR (Paschen) et ainsi de suite en fonction du niveau d'énergie absorbé par le système.
Si on l'excite, il pourra ensuite réémettre dans n'importe quel domaine, tout dépend du niveau vers lequel il va se désexciter (vers 1 ce sera des UV, vers 2 du visible, vers 3 de l'IR, etc...) et ça on ne le choisit pas, c'est spontané et aléatoire (enfin, il y a l’émission stimulée, mais n'entrons pas là-dedans, il y a bien assez à déblayer avant de pouvoir parler de ça), sachant qu'il peut se désexciter en cascade (6-->4-->3-->1 par exemple).
non, on y est pas du tout... Dans l'état fondamental, votre carbone est 1s² 2s² 2p² (c'est des gros mots, mais bon) et n'émet rien du tout. Il ne le peut pas, pour émettre il faut perdre de l'énergie, alors qu'il est déjà au plus bas. Cet atome de carbone dans l'état fondamental va pouvoir absorber une grande variété de photons (mais toujours des fréquences bien précises) et c'est beaucoup plus compliqué que pour l'hydrogène parce qu'il y a plusieurs électrons et que les sous-couches sont différenciées et que les électrons interagissent entre eux via leur spin. Les état excités de même.Et pour disons, un atome de Carbone. Cette fois-ci, l'atome comporte 6 électrons sur sa seconde couche L si ils ne sont pas excités. Ce qui veut dire que le système émet et dans les UV et dans le domaine du visible sans être excité? Et donc qu'une fois excité, il émettra dans les IR et plus loin?
On n'aura pas des série simples comme pour l'hydrogène, mais un fouillis de raies dans tous les sens, ces raies étant souvent des multiplets (c'est à dire que si on zoome sur une raie du spectre, on voit qu'il y en a plusieurs très rapprochées), rien que dans le visible, ça donne ça : https://therealdegree.files.wordpres.../07/carbon.jpg
Si vous chauffez du carbone gazeux, une population d'atomes dans des états excités se crée, et ils vont se désexcité en émettant à beaucoup de longueurs d'onde différentes, des UV, du visibles, des infrarouges, comme le fait l'hydrogène (mais pas aux mêmes fréquences et pas avec un spectre de raie aussi compliqué).
A l'inverse si vous éclairer un gaz de carbone froid, il va absorber certaines fréquences (les même que celles émises par le gaz chaud, d'abord celles qui permettent de créer des états excités depuis le fondamental, car au départ il n'y a que du fondamental vu que le gaz est froid, puis toutes, comme pour l'hydrogène).
m@ch3
Never feed the troll after midnight!
Re : Niveaux d'énergie discret
Merci beaucoup, cette fois-ci j'ai normalement compris !
Donc, l'atome reçoit de l'énergie sous forme de lumière, il absorbe certaine radiations caractéristique propre, et c'est cette énergie qui, une fois relâché, produit de la lumière en fonction de la couche électronique où se trouvent les électrons, si l'électron est excité, il gagne donc en niveau et peut émettre dans d'autres domaines.
Pour les radiations spécifiques, j'ai crû comprendre qu'elles sont dû à la différence (en eV) entre 2 couches, on convertis ensuite les eV en J pour déterminer le lambda.
Ce qui veut dire que, comme les lambda diffèrent, l'énergie nécessaire pour passer d'un niveau à l'autre des couches diffère en fonction de l'atome.
Merci encore pour votre aide.
