Spectroscopie de l'atome d'hydrogène et les différents modèles atomiques
Dans cette séance, nous revenons sur:
-l'émission et l'absorption de l'atome d'hydrogène;
- les différents modèles atomiques
1. Spectroscopie de l'atome d'hydrogène
Les spectres découverts par NEWTON allaient servir de carte de visite aux atomes. NEWTON à l'aide d'un prisme, montra que la lumière solaire était une composition de plusieurs longueurs d'onde monochromatique. Quand BUNSEN et KIRCHHOFF, remplacèrent le prisme par un chiffon et le soleil par une solution saline (NaCl), à la place de la bande multicolore observée par NEWTON, ils observèrent une raie jaune dont plusieurs expériences confirmèrent qu'elle était due au sodium. « Chaque élément chimique possède alors son propre spectre bien caractéristique ». Le spectre des atomes ou des molécules est alors leur « carte de visite ».
La spectroscopie qui a rendu d'immenses services à la chimie ne pouvait pas cependant expliquer l'origine du rayonnement des corps.
L'excitation d'un gaz enfermé dans une ampoule, par une étincelle électrique, produit une lumière qu'on peut étudier par spectroscopie. Dans le cas de l'atome d'hydrogène, pour des excitations peu importantes, on obtient une décomposition de la lumière émise en quatre raies de différentes couleurs dont les longueurs d'onde sont les suivantes : raie rouge (0.656mm), raie bleue (0.486mm), raie indigo (0.434mm), raie violette (0.410mm).
Les raies visibles ne sont pas les seuls rayonnements émis par l'hydrogène ; des raies invisibles à l'œil nu existent à l'IR et à l'UV.
BALMER établit empiriquement en 1885 une formule donnant les différentes longueurs d'onde du spectre de l'atome d'hydrogène:
est la constante de Rydberg.
La formule de BALMER est vérifiée avec une très grande précision et a joué un rôle important par la suite pour la validation des modèles atomiques.
RITZ généralisa (1908) cette formule:
m = 1, 2, 3, ...et n > m;
La fréquence peut s’écrire:
L'existence des raies spectrales atomiques s'explique par le fait que dans l'atome nous avons des états électroniques possibles auxquels correspondent des termes spectraux:
L’émission ou l’absorption d’un photon correspond alors à une transition entre deux de ces états électroniques. Ce qui se traduit par:
Il y a plusieurs modèles qui se sont succédés pour donner une explication au rayonnement des corps : il y a eu les modèles de THOMSON (1898), de RUTHERFORD (1911) et puis de Niels BOHR (1912-1914). Seul le modèle de l’atome d’hydrogène, proposé par Niels BOHR, permit de rendre compte la formule empirique de RITZ.