Série Balmer

Les atomes et les molécules présentent un comportement très intéressant lorsqu’ils absorbent et libèrent de l’énergie. Les électrons d’un atome existent traditionnellement à leur état d’énergie le plus bas, appelé état fondamental, et étiqueté comme n égal à un. Cependant, lorsqu’un atome absorbe de l’énergie, les électrons deviennent excités et se déplacent vers un niveau d’énergie plus élevé. Lorsque les électrons se détendent jusqu’à un état d’énergie inférieur ou à l’état fondamental, l’énergie excédentaire est libérée sous forme de lumière émise.

Vous connaissez peut-être ces états d’énergie, car ils sont décrits dans le modèle de Bohr, qui décrit un atome comme un noyau avec des électrons en orbite dans des couches ou des orbitales. Ces coquilles sont les mêmes que les niveaux d’énergie et sont étiquetées par n. La longueur d’onde de la lumière émise dépend de la différence entre les niveaux d’énergie élevés et faibles. La lumière émise à haute énergie résulte de la relaxation des électrons à partir d’un niveau d’énergie plus élevé, et la lumière émise à faible énergie résulte de la relaxation des électrons à partir d’un niveau d’énergie inférieur.

Le spectre d’émission est une mesure du rayonnement émis sur une gamme de longueurs d’onde. Avec les espèces élémentaires pures, le comportement d’émission apparaît sous forme de lignes de longueurs d’onde spécifiques plutôt que d’un large spectre. Étant donné que différents atomes ont des niveaux d’énergie différents, ces raies spectrales varient d’un élément à l’autre et dépendent des transitions que ces électrons effectuent entre les états d’énergie lorsqu’ils sont excités. Par exemple, il existe six séries nommées de raies spectrales pour l’hydrogène, dont la série de Balmer.

La série de raies spectrales de Balmer se produit lorsque les électrons passent d’un niveau d’énergie supérieur à n = 3 à n = 2. Le spectre de la lumière visible de la série Balmer apparaît sous forme de raies spectrales à 410, 434, 486 et 656 nm. La ligne h alpha est la ligne rouge à 656 nm et se produit en raison de la transition de n = 3 à n = 2. Les lignes cyan, bleue et violette correspondent aux transitions de niveau d’énergie de n = 4, 5 et 6, respectivement, jusqu’à n = 2. Des raies spectrales supplémentaires peuvent être mesurées en dehors de la plage visible.

Johann Balmer a quantifié les lignes visibles à l’aide de la formule de Balmer. Ici, lambda est la longueur d’onde observée, c est une constante, n est le niveau d’énergie inférieur de deux et m est le niveau d’énergie supérieur. La combinaison de l’équation de Balmer et du modèle de Bohr nous donne l’équation de Rydberg, qui décrit les raies spectrales de nombreux éléments différents. Dans cette équation, lambda est la longueur d’onde enregistrée, et R_H est la constante de Rydberg. Les niveaux initiaux marqués par n-initial représentent le niveau d’énergie supérieur auquel les électrons s’excitent et n final est le niveau d’énergie inférieur auquel les électrons se détendent. Pour la série Balmer, n_final = 2.

Dans cet atelier, vous allez mesurer et observer les spectres d’émission de l’hydrogène, de l’hélium et du néon et utiliser l’équation de Rydberg pour déterminer l’emplacement des raies spectrales.