Video Transcript
Dans cette vidéo, nous traitons de spectres d’émission et d’absorption. Nous pouvons voir des exemples de ces spectres à l’écran avec l’image supérieure représentant un spectre d’absorption et l’image inférieure représentant un spectre d’émission. Notez que lorsque nous n’en avons qu’un, cela s’appelle un spectre, alors qu’au pluriel cela ce dit spectres.
Avant de les examiner de plus près, considérons cela. C’est ce qu’on appelle un spectre continu. L’idée est que le mot spectre fait référence à une gamme de longueurs d’onde. Ici, nous voyons toutes les différentes couleurs auxquelles nos yeux sont sensibles. Et le mot continu nous indique que toutes ces longueurs d’onde dans notre spectre donné sont représentées. En d’autres mots, il ne manque aucune couleur à ce spectre. Chaque couleur, chaque longueur d’onde de la lumière visible est présente. Il est possible de créer un spectre comme celui-ci en utilisant deux objets.
La première est une lumière blanche, c’est-à-dire une lumière qui émet toutes les longueurs d’onde visibles. Et l’autre objet s’appelle un prisme. Il s’agit généralement d’un objet triangulaire, souvent en verre, qui dévie les différentes couleurs de la lumière chacun selon un angle différent. Cela signifie que si nous envoyons une lumière blanche dans le prisme, le prisme séparera cette lumière dans toutes les différentes couleurs que nos yeux peuvent voir. Et la réfraction ou déviation de ces différentes couleurs sera variable. Cela a pour effet de séparer les différentes couleurs de lumière lorsqu’elles se déplacent à travers le prisme. Et si nous projetions toutes ces couleurs sur un écran ou une surface, nous aurions un spectre continu.
Mais maintenant, imaginons que nous changeons un peu notre configuration. Admettons que nous mettons quelque chose entre la lumière blanche et le prisme. En particulier, admettons que nous mettons un gaz froid d’un certain élément atomique devant la lumière blanche. Nous allons expliquer pourquoi ce gaz doit être froid plus tard. Mais pour l’instant, tout ce que nous devons savoir, c’est que les atomes froids d’un élément donné forment un gaz devant notre lumière blanche. Puis, comme précédemment, nous plaçons un prisme sur le trajet de notre faisceau de lumière et disons que nous projetons à nouveau toute la lumière qui traverse le prisme, et qu’elle se répand par couleur sur un écran. Si nous faisions cela, nous pourrions voir quelque chose qui ressemble à ceci.
Notez que ce spectre ressemble beaucoup au spectre continu que nous avons vu plus tôt, à une chose près. Il y a ces bandes sombres, ces lignes noires, qui apparaissent à différentes longueurs d’onde dans ce spectre. Ces bandes sombres représentent des longueurs d’ondes spécifiques de la lumière qui sont absentes de la lumière qui passe à travers notre prisme. Mais voici la chose intéressante. Nous savions que ces longueurs d’onde, ainsi que toutes les autres longueurs d’onde visibles, étaient présentes dans la lumière blanche émise par notre source. Donc, pour qu’ils soient absents de notre spectre, comme nous le voyons ici, quelque chose a dû se produire envers ces longueurs d’onde particulières lorsqu’elles sont passées dans le gaz froid. En effet, ce qui s’est passé, c’est que ces longueurs d’onde ont été absorbées par le gaz.
Mais cela soulève une question. Pourquoi est-ce que ces longueurs d’onde particulières représentées par les trous de notre spectre ont été absorbées alors que les autres l’ont traversée? En d’autres termes, apparemment, le gaz a absorbé la lumière à cette longueur d’onde et à cette longueur d’onde et celle-ci et celle-ci et celle-ci et ainsi de suite. Mais il a simplement permis le passage à la lumière de ces longueurs d’onde qui apparaissent dans notre spectre. Pour répondre à cette question de savoir pourquoi une certaine proportion de la lumière traverse le gaz alors qu’une certaine partie est absorbée, nous devrons comprendre ce gaz froid au niveau atomique.
Admettons que ce croquis représente un seul atome dans notre gaz. Dans ce croquis, nous voyons le noyau de l’atome. C’est ce noyau ici au centre. Et nous voyons aussi ces trois anneaux concentriques. Ces anneaux, selon un ancien modèle de l’atome, représentent différents niveaux d’énergie que peuvent occuper les électrons. Donc, disons que nous avions un électron à ce niveau d’énergie, qui est le niveau d’énergie le plus bas, mais que cet électron est ensuite capable de passer à un niveau d’énergie plus élevé dans l’atome. Pour que cela se produise, cependant, il faudrait de l’énergie. Et cette énergie devrait provenir de quelque part en dehors de l’atome.
Maintenant, voici quelque chose d’intéressant. Pour que cet électron passe à un niveau d’énergie plus élevé, il doit absorber une quantité d’énergie très spécifique pour que cela se produise. Disons que notre électron devait passer de son niveau d’énergie actuel à cette orbitale la plus externe de l’atome. L’énergie que cet électron devrait absorber pour que cela se produise, comme nous l’avons dit, devrait provenir d’une source externe à l’atome. Cela se produit souvent par le biais d’un électron qui absorbe un photon qui a juste la bonne quantité d’énergie pour que l’électron fasse cette transition.
Maintenant, rappelons pendant un instant l’équation de l’énergie d’un photon en fonction de sa longueur d’onde. Nous pouvons nommer l’énergie d’un photon 𝐸 indice p, et elle est égale à la constante de Planck ℎ fois la vitesse de la lumière dans le vide, c’est la vitesse du photon, divisée par sa longueur d’onde 𝜆. Alors, voilà la chose intéressante. Un photon individuel pourrait avoir n’importe quelle quantité d’énergie en fonction de sa longueur d’onde. Mais pour que notre électron atomique passe à un niveau d’énergie plus élevé, il faut une quantité d’énergie très précise. Si nous appelons l’énergie requise pour la transition spécifique dont nous parlons Δ𝐸, alors en termes d’énergie de photons, nous devons avoir un photon avec une longueur d’onde spécifique 𝜆, de sorte que 𝑐 sur 𝜆 fois ℎ soit égale à cette quantité d’énergie.
Ainsi, de toutes les longueurs d’onde possibles des photons qui sont incidents sur cet atome, on pourrait dire que l’électron sélectionne uniquement les photons qui ont la bonne longueur d’onde pour donner la bonne quantité d’énergie pour permettre à l’électron de passer à un niveau d’énergie plus élevé. Quand un photon avec la bonne longueur d’onde et donc la bonne quantité d’énergie arrive, l’électron l’absorbe et monte jusqu’à cet état d’énergie supérieure. Donc ce mot « absorbe » est important. L’électron absorbe vraiment le photon incident pour prendre son énergie. Cela signifie, bien sûr, que ce photon a maintenant disparu.
Et si nous pensons à ce photon en fonction d’une longueur d’onde particulière provenant de notre source, nous pouvons nous attendre à ce que cette longueur d’onde spécifique soit absorbée par notre gaz atomique et ne parvienne pas au prisme puis à l’écran. Et c’est la raison pour laquelle nous voyons ces bandes sombres et étroites sur notre spectre. Ces longueurs d’ondes correspondent à des longueurs d’ondes de lumière qui sont absorbables, pourrait-on dire, par notre gaz froid atomique. C’est-à-dire que ce sont des longueurs d’onde qui permettent des transitions atomiques au sein de l’atome. Maintenant, rappelez-vous que nous avons tenu à dire que ce gaz est un gaz froid. La raison pour laquelle nous avons spécifié que le gaz est froid est qu’un atome froid est un atome dont l’énergie est relativement faible. Cela signifie que tous les électrons qu’il a - disons que cet atome particulier a deux électrons - seront dans leurs états énergétiques les plus bas possibles.
Ceci est important car ce ne sont que des électrons qui ont une marge de manœuvre, c’est-à-dire un niveau d’énergie plus élevé à occuper, qui sont capables d’absorber le rayonnement arrivant afin de pouvoir subir cette transition. Imaginez qu’au lieu d’un atome froid, nous avions un atome très chaud, c’est-à-dire un atome avec beaucoup d’énergie. Dans ce cas, nos électrons pourraient déjà être au niveau d’énergie le plus externe ou le plus élevé. Et cela signifierait que quelle que soit la longueur d’onde du rayonnement entrant, les électrons ne pourraient pas l’absorber. Ils n’ont nulle part où aller. Ainsi, afin d’étudier comment un élément atomique particulier absorbe le rayonnement, il est important d’utiliser des atomes de faible énergie de cet élément, autrement dit, des atomes froids. Et c’est pourquoi notre gaz est un gaz froid.
Donc, ce spectre que nous voyons, qui ressemble principalement à un spectre continu, à l’exception de ces quelques bandes sombres que nous y voyons, s’appelle un spectre d’absorption, et les bandes sombres sont appelées raies d’absorption. Chaque élément atomique a son propre spectre d’absorption spécifique. Ces spectres sont créés comme nous l’avons montré ici, en faisant passer la lumière blanche à travers un gaz froid constitué d’atomes de cet élément particulier, puis en diffusant cette lumière à l’aide d’un prisme pour qu’elle forme un spectre. Comme le titre de notre leçon nous dit cependant, un spectre d’absorption n’est pas le seul type que nous pouvons créer.
Imaginons que nous prenions ce gaz d’un élément atomique particulier et que nous le réchauffions pour qu’il devienne chaud. Et puis, admettons que nous mettons un prisme devant ce gaz chaud. Il s’avère que ce gaz dégagera de la lumière qui, diffusée par le prisme et projetée sur un écran, crée son propre spectre. Nous voyons, cependant, que ce spectre est très différent du spectre d’absorption que nous examinions. Alors que le spectre d’absorption présentait presque toutes les longueurs d’onde de la lumière visible ponctuées de quelques bandes sombres représentant des longueurs d’onde absentes, le contraire est vrai pour ce spectre que nous voyons en haut de notre écran. Il est principalement sombre, avec seulement quelques bandes de couleur présentes. Ceci s’appelle un spectre d’émission. Et les spectres d’émission en général sont reconnaissables car ils sont pour la plupart noirs. La lumière y est majoritairement absente.
Donc, tout comme avec le spectre d’absorption ci-dessous, nous sommes confrontés à une question similaire. Pourquoi est-ce que ces longueurs d’onde de lumière sont présentes dans notre spectre d’émission, alors que la grande majorité ne le sont pas? Cela s’explique encore une fois par la structure particulière de l’atome que nous considérons. Rappelons que nous avons précisé que le gaz qui crée notre spectre d’émission est un gaz chaud. Un des effets du réchauffement du gaz est de donner de l’énergie aux atomes qui le constituent, ce qui signifie que les électrons de ces atomes auront tendance à être à des niveaux d’énergie assez élevés. Les électrons de ces niveaux d’énergie plus élevés, lorsqu’ils se déplacent, auront tendance à revenir vers le noyau de l’atome. C’est-à-dire qu’ils sont plus susceptibles de perdre de l’énergie et de descendre à un niveau d’énergie inférieur.
Lorsque cela se produit, l’énergie qu’un électron perd dans cette transition est libérée. Il est émis sous la forme d’un photon, un paquet de lumière. Et voici quelque chose d’intéressant. La même longueur d’onde de photon qui était requise pour exciter un électron afin qu’elle passe de l’état de l’énergie fondamental à cet état supérieur. C’est précisément la longueur d’onde émise par l’électron lors de cette transition dans le sens opposé, d’une énergie plus élevée à une énergie plus basse. Donc, la raison qui se cache derrière ces bandes colorées dans notre spectre d’émission, c’est-à-dire qu’il y a des longueurs d’onde de lumière présentes au niveau de ces couleurs, est que les électrons dans les atomes chauds de notre gaz redescendent vers un niveau d’énergie inférieur en émettant des photons. Ce sont ces photons émis et leurs longueurs d’ondes particulières qui apparaissent sur notre spectre.
Donc, nous comprenons maintenant la raison pour ces bandes sombres dans notre spectre d’absorption. Ces longueurs d’onde sont absorbées par notre gaz. Et de même, nous connaissons la raison de la présence de ces bandes colorées, appelées raies d’émission, dans notre spectre d’émission. Ce sont les longueurs d’onde émises par notre gaz chaud du même élément. Puisque le spectre d’absorption et d’émission que nous voyons correspond maintenant au même élément particulier, nous voyons que ces bandes apparaissent à la même longueur d’onde pour chaque spectre. C’est un indice fort que les spectres d’absorption et d’émission que nous examinons correspondent au même élément.
Maintenant, nous avons mentionné précédemment que l’emplacement particulier de ces bandes dans un spectre d’émission ou d’absorption nous indique quel élément a créé ces spectres. C’est-à-dire que les longueurs d’onde spécifiques auxquelles se produisent ces bandes sont caractéristiques de l’élément donné qui les a créées. Les chercheurs sont en mesure d’examiner un spectre particulier et de déterminer l’élément ou les éléments qui ont contribué à le créer. Dans ce cas, d’ailleurs, c’est l’élément hélium qui est représenté par ce spectre d’émission et d’absorption. Maintenant, il y a une autre chose importante à noter à propos de ces deux spectres. C’est un peu difficile à voir étant donné la taille des spectres tels qu’ils sont à l’écran. Alors, élargissons notre spectre d’absorption pour mieux le voir.
D’accord, c’est un peu mieux. Voyons, disons, cette raie d’absorption par rapport à, disons, celle-ci. Ces deux raies sont différentes. Celui de gauche semble plus large que celui de droite. On pourrait dire que cette bande d’absorption est plus épaisse que celle-ci. Il s’avère que ce n’est pas seulement une impression. Il y a vraiment une différence dans l’épaisseur des différentes raies spectrales. En fait, il est si habituel que l’épaisseur de cette raie varie, qu’il est courant de parler de quelque chose appelé largeur de raie spectrale. Plus l’épaisseur d’une raie spectrale comme celle-ci ici est grande, plus la largeur est grande. Mais cela ne fait que soulever la question de savoir ce qui rend une raie spectrale donnée plus large ou plus fine? En d’autres mots, qu’est-ce qui fait la différence entre cette raie spectrale relativement large et cette raie relativement fine?
Il s’avère qu’il existe un certain nombre d’influences qui peuvent entraîner un élargissement de la raie. Quand une raie spectrale est élargie, cela signifie simplement que sa largeur augmente. L’élargissement de la raie peut se produire lorsque les atomes du gaz qui ont contribué à la création des spectres sont chauffés ou sous pression. Et aussi, l’un des plus grands impacts sur la largeur de raie spectrale vient, encore une fois, du déplacement des électrons à l’intérieur de ces atomes. Lorsqu’un électron passe à un état excité, comme cet électron ici l’a fait, lorsqu’il passe au plus haut niveau d’énergie, la durée passée par un électron à cet état avant de revenir à un niveau d’énergie inférieur a un impact direct sur la largeur de la raie spectrale qui est produite. Plus les électrons restent longtemps dans cet état de haute énergie avant de retomber, plus la raie spectrale qu’elle produit sera fine.
Et puis l’inverse est également vrai. Si l’électron ne passe que très peu de temps dans cet état de haute énergie avant de redescendre, alors la raie spectrale qu’il produit sera relativement large. En utilisant le spectre d’émission ou d’absorption d’un élément, il est même possible de mesurer la largeur, disons en nanomètres, d’une raie spectrale donnée. Cette largeur correspond à l’intervalle de longueurs d’onde exprimées en nanomètres qui sont absorbées ou émises. Maintenant que nous en avons appris un peu sur les spectres d’émission et d’absorption, nous allons nous entraîner avec ces idées à travers un exemple.
Une scientifique a un échantillon d’un gaz inconnu. Afin d’identifier le gaz, elle regarde le spectre de la lumière visible émise lorsqu’il est chauffé. Ceci est illustré sur le schéma. Les spectres d’émission de trois éléments gazeux purs sont également représentés sur la figure. Lequel des trois éléments est le gaz inconnu?
Ok, en regardant notre figure, nous voyons une série de spectres d’émission. Le premier est le spectre d’un gaz inconnu que nous voulons identifier. Ensuite, en dessous, nous voyons les spectres d’émission de l’hydrogène, de l’hélium et de l’oxygène, respectivement. On nous demande, lequel de ces trois éléments est le gaz inconnu? Maintenant, la première chose que nous pouvons réaliser est que notre gaz inconnu est un échantillon pur. Ce n’est pas un mélange d’autres éléments. En d’autres mots, c’est entièrement soit de l’hydrogène ou de l’hélium ou de l’oxygène. Sachant cela, ce que nous voulons trouver, c’est une correspondance entre le spectre de notre gaz inconnu et le spectre de l’un de ces autres gaz. Et voici comment nous pouvons identifier une correspondance.
En regardant notre spectre de gaz inconnu, nous pouvons voir les longueurs d’ondes particulières correspondant aux raies d’émission de ce gaz inconnu. Ainsi, par exemple, cette raie d’émission de notre gaz inconnu est à environ 422 nanomètres, alors que celle-ci est à environ 437 nanomètres et ainsi de suite pour ces autres raies d’émission dans notre spectre. Nous voulons trouver lequel de ces trois autres gaz, l’hydrogène, l’hélium ou l’oxygène, a des raies d’émission aux mêmes longueurs d’onde que notre échantillon inconnu. Nous pouvons faire cette comparaison à l’œil nu.
Commençons par cette raie d’émission ici à environ 422 nanomètres. En regardant le spectre de l’hydrogène, nous ne voyons pas de propriété particulière à cette longueur d’onde ni à proximité. Cela nous indique que les deux spectres d’émission ne correspondent pas. Le gaz inconnu ne peut pas être de l’hydrogène. Ensuite, si nous considérons l’hélium, nous voyons que ce gaz n’a pas non plus de raie d’émission à ou autour de 422 nanomètres. Autrement dit, si nous déposions cette longueur d’onde de raie d’émission sur notre spectre d’hélium, nous verrions que l’hélium n’a pas de raie d’émission à cette longueur d’onde. Cela signifie que notre gaz inconnu n’est pas constitué d’hélium non plus.
Enfin, nous examinons l’oxygène. Dans ce cas, notez que nous voyons une droite d’émission correspondante à cette longueur d’onde. C’est un signe encourageant. Considérons une autre raie d’émission dans notre gaz inconnu. Celui-ci, à environ 437 nanomètres, correspond également à une raie d’émission de l’oxygène. Et si nous continuons à regarder d’autres raies d’émission, nous voyons qu’il y a toujours des correspondances entre ces deux spectres. Et cela est vrai, on peut le voir, jusqu’à la fin du spectre visible. Donc, nous avons trouvé une correspondance pour le spectre de notre gaz inconnu, et cette correspondance nous dit que le gaz inconnu est l’oxygène.
Résumons maintenant ce que nous avons appris sur les spectres d’émission et d’absorption. Dans cette leçon, nous avons vu que tous les éléments atomiques présentent des spectres d’émission et d’absorption uniques. Nous avons appris que les spectres d’émission sont pour la plupart sombres, où les raies d’émission sont des bandes de couleurs représentant des longueurs d’onde de lumière émises par un élément particulier. Alors que les spectres d’absorption ont tendance à montrer la plupart des couleurs visibles de la lumière, avec quelques bandes sombres représentant les raies d’absorption.
Nous avons également vu que les longueurs d’onde particulières auxquelles se produisent les raies d’émission et d’absorption sont liées niveaux d’énergie des atomes créant ces spectres d’émission et d’absorption respectifs. Et enfin, nous avons appris que la largeur des raies spectrales varie selon, entre autres, le temps que les électrons restent dans des états excités. Ceci est un résumé des spectres d’émission et d’absorption.
