Théorie Quantique Précoce | Chimie générale 1

Lumière : 

Une radiation électromagnétique dans la portion du spectre électromagnétique. La lumière visible n'est qu'une petite partie de ce spectre. Toute lumière est une transmission d'énergie sous forme d'ondes et est caractérisée par sa longueur d'onde, sa fréquence et son amplitude.
 

Les différentes formes de radiation électromagnétique sont :

• rayons gamma (< 10^-2 nm)
• rayons X (10^-2 nm – 10¹ nm)
• lumière ultraviolette (10¹ nm – 400 nm)
• lumière visible (bleu 400 nm - rouge 750 nm)
• lumière infrarouge (750 nm – 5 x 10⁵ nm)
• micro-ondes (5 x 10⁵ nm – 10⁸ nm)
• ondes radio (> 10⁸ nm)
   

Propriétés des ondes :

• Longueur d'onde (λ) est la distance entre des points identiques sur des ondes successives
• Fréquence (ν) est le nombre d'ondes qui passent à travers un point par unité de temps
• Amplitude est la distance verticale entre la ligne médiane d'une onde et son pic
• Période (T) est la mesure du temps qu'il faut à l'onde pour compléter son cycle

Relation entre vitesse de la lumière, longueur d'onde et fréquence :
 

Onde électromagnétique:

Une onde qui a des composantes électriques et magnétiques. Ces deux composantes de champ sont mutuellement perpendiculaires et en phase.

Quantification de l'énergie

En 1900, Max Planck a proposé que l'énergie de la lumière ne peut avoir que certaines valeurs. Un quantum est la plus petite quantité d'énergie qui peut être émise ou absorbée sous forme de rayonnement électromagnétique.

Énergie E d'un seul quantum (en J) :
 

Photons

Un quantum de lumière est appelé photon (particule de lumière). Les photons sont donc les plus petits packets possibles d'énergie électromagnétique.

Énergie E d'un groupe de photons (en J) :
 

Effet photoélectrique:

Un phénomène dans lequel des électrons sont éjectés de la surface d'un métal exposé à une lumière d'une certaine fréquence minimale appelée la fréquence seuil ν₀

Énergie cinétique E_k des électrons éjectés (en J) :
 

Spectre d'émission :

La lumière émise par une substance dans un état électronique excité. Cela peut être un spectre continu, comprenant toutes les longueurs d'onde dans une plage particulière, ou un spectre de raies, comprenant seulement certaines longueurs d'onde discrètes
 

La lumière blanche n'a pas d'intervalles ⇒ spectre continu
Les atomes absorbent ou émettent de l'énergie seulement à des longueurs d'onde spécifiques ⇒ spectre de raies

Transition électronique :

Le changement d'électron d'un niveau d'énergie à un autre au sein d'un atome. Les atomes émettent ou absorbent un rayonnement électromagnétique lorsqu'ils subissent des transitions électroniques. L'énergie de la transition de l'état excité initial n_i à l'état final n_f (où E_i > E_f ⇒ émission) est donnée par E_i = E_f + E_photon

L'état fondamental est l'état d'énergie le plus bas possible pour un atome. Un état excité est tout niveau d'énergie supérieur à l'état fondamental

Énergie d'un électron

Les électrons sont autorisés à occuper uniquement certaines orbites aux énergies spécifiques ⇒ leur énergie est quantifiée. L'énergie des orbitales de l'atome d'hydrogène est donnée par :

E_n = -2.1799 x 10^-18 J $\frac{1}{n^2}$

E_n (en J) = énergie de l'orbital n

n = 1, 2, 3 ... = numéro de l'orbital

Les valeurs E_n sont les états énergétiques des électrons dans l'atome d'hydrogène. Plus la valeur absolue de E_n est élevée, plus l'électron dans l'orbital n est stable. L'orbital n = 1 a les électrons les plus stables, c'est l'état fondamental. Un électron dans un orbital n > 1 est dit être dans un état excité.

Émission - Énergie d'un photon :

Lorsqu'un électron passe d'un état d'énergie supérieure à un état d'énergie inférieure, l'atome émet des photons. La différence entre les énergies des états initial (n_i) et final (n_f) est :

ΔE = E_f - E_i = -2.1799 x 10^-18J $\left(\frac{1}{{n_f}^2}-\frac{1}{{n_i}^2}\right)$

L'équation de Rydberg-Balmer

L'équation de Rydberg-Balmer est une formule mathématique utilisée pour prédire la longueur d'onde de la lumière résultant du mouvement d'un électron entre les niveaux d'énergie dans un atome. La transition résulte dans l'émission d'un photon de fréquence ν et d'énergie hν.

|ΔE| = E_photon = hν = $\frac{\mathrm{hc}}{\lambda }$ J

$\frac{\mathrm{hc}}{\lambda }$ = 2.1799 x 10^-18 J$\left(\frac{1}{{n_f}^2}-\frac{1}{{n_i}^2}\right)$

L'équation de Rydberg-Balmer prédit le spectre des raies de l'atome d'hydrogène :

$\frac{1}{\lambda }$ = R_∞ $\left(\frac{1}{{n_f}^2}-\frac{1}{{n_i}^2}\right)$

λ = longueur d'onde (en m)
R_∞ = constante de Rydberg = $\frac{2.1799x{10}^{-18}}{\mathrm{hc}}$ m^-1

La théorie de de Broglie :

L'équation de de Broglie est l'une des équations couramment utilisées pour définir les propriétés ondulatoires de la matière. À travers les phénomènes observés à partir de la lumière, de Broglie a suggéré que la matière possède des propriétés similaires aux particules et aux ondes et obéit à l'équation :

Peu après la proposition de de Broglie, des expériences ont montré que les électrons présentent également des propriétés ondulatoires telles que la diffraction.