La théorie des quanta et le modèle de Bohr de l'atome

La théorie des quantas a été proposé par Max Plank (physicien allemand, 1858 - 1947) et par Albert Einstein (physicien américain d'origine allemande, 1879 - 1955). Elle énonce que l'énergie échangée par des atomes sous forme de rayonnement électromagnétique ne peut être continue. Cette énergie est échangée sous forme de petits paquets multiples entiers d'une quantité d'énergie égale à un quantum. Il en résulte qu'il ne peut y avoir d'échange inférieur à un quantum. Cela signifie que l'énergie est discontinue tout comme la matière et qu'elle peut avoir une forme corpusculaire.

Un quantum de rayonnement électromagnétique correspond à un photon. Un atome qui absorbe un rayonnement électromagnétique voit son énergie globale augmentée de celle du quantum (photon) absorbé. A l'inverse, il perd cette énergie quand il émet un photon.

Niels Bohr (physicien danois, 1885 - 1962, photographie ci-contre) propose un nouveau modèle de l'atome en tenant compte de cette nouvelle théorie des quantas. Son modèle est le suivant:

  • L'énergie des électrons est quantifiée et ne peut prendre que des niveaux déterminés appelés niveaux d'énergies.
  • A chaque niveau d'énergie d'un électron correspond une trajectoire où il ne perd pas d'énergie.
  • Au repos, en l'absence d'excitation, chaque électron se trouve sur le niveau d'énergie le plus bas.
  • Lorsque tous les électrons sont au plus bas niveau d'énergie, l'atome se trouve à l'état fondamental.
  • Les changements de niveaux d'énergies d'un électron se font par sauts discontinus correspondant à un quantum d'énergie (photon).

La mise en évidence de ces caractéristiques se retrouve dans le spectre électromagnétique propre à chaque élément chimique. Les couleurs observées correspondent aux fréquences (ou longueurs d'onde) permises pour cet élément chimique. C'est ce qui permet d'identifier chaque élément à partir de son spectre.

L'identification des éléments chimiques à partir de la lumière

Le spectre électromagnétique dont fait partie la lumière visible est une forme d'énergie. Cette énergie est caractérisée par l'équation suivante:

c = λ . ν

c est la célérité de la lumière dans le vide, c'est une constante universelle dont la valeur est proche de 3 x 108 m/s
ν est la fréquence, c'est à dire le nombre de vibrations par seconde
λ représente la longueur d'onde, c'est à dire la distance parcourue durant une vibration

La figure ci-dessous montre les différents domaines du spectre électromagnétique en fonction de la longueur d'onde. Le domaine visible est développé afin de montrer les longueurs d'onde des différentes couleurs.

La matière peut échanger de l'énergie sous forme d'onde électromagnétique de deux manières:

l’émission ou l'absorption. Les lampes qui nous entourent (comme toute source de lumière) sont un bon exemple d'émission de lumière. A l'inverse la lumière peut être absorbée par la matière, c'est ce qui est responsable de la couleur des objets.

Spectroscopie