Emission et absorption quantiques

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Emission et absorption quantiques (fiche - Terminale S)

Objectifs Montrer que l'étude de l’atome ne peut pas se faire avec la mécanique de Newton, mais avec la mécanique quantique. Décrire l’absorption et l’émission quantique. En donner quelques applications : spectres atomiques, refroidissement d’atomes par LASER. 1. Limitations de la mécanique de Newton pour décri re l'atome Pour décrire l’atome, lemodèle de Rutherfordl’imagina comme unsystème planétaire, avec un noyau central et des électrons qui orbite raient autour. Ce modèle, basé sur la mécanique de Newton, ne pouvait rendre compte de certains phénomènes, comme lesspectres de raies. Il fut complété par lemodèle de Bohr, où seules certaines « orbites » sont possibles, et par extens ion, l’atome ne peut prendre que certaines énergies bien déterminées.

Plus tard, lamécanique quantique, avec l’équation de Schrödinger, parvint à modéliser l’atome d’hydrogène, en tant que système {proton + électron}. Il fut établi que lorsque ce système forme un état lié,son énergie est quantifiéeet vérifie la relation :

nest un nombre entier strictement positif, associé à l’état d’énergie correspondant. est l’état de plus basse énergie, nomméétat fondamental. Les autres sont des états excités.

Conventionnellement, l’énergie nulle est celle de l ’état où le proton et l’électron sont au repos et ne sont pas liés (hydrogène ionisé). Une é nergie positive correspond à unétat non lié, où ladite énergie estl’énergie cinétique de l’électron par rapport au proton. Ces états non liés forment uncontinuum, voir le diagramme d’énergie de l’atome d’hydrogène ci-dessous.

Une différence majeure avec la mécanique de Newton est que la mécanique quantique est unethéorie probabiliste. Ci-dessous à droite, on a représenté par un nuage de points ladensité de probabilité de l’électrondans l’atome d’hydrogène, pourl’état fondamental. En un lieu donné, plus il y a de points, plus on a de chance d’y trouver l’électron. Quelle différence avec le modèle planétaire de Rutherford ! Le proton, invisible, est au centre du nuage.