Spectres d'émission

Lorsque les solides, les liquides ou les gaz condensés sont suffisamment chauffés, ils émettent une partie de l’énergie excédentaire sous forme de lumière. Les photons produits de cette manière se situent sur une gamme d’énergies, et produisent ainsi un spectre continu dans lequel se trouve une série ininterrompue de longueurs d’onde.

Contrairement aux spectres continus, la lumière peut également se produire sous forme de spectres discontinus ou de raies de largeurs très fines répandues le long des régions du spectre. L’excitation d’un gaz avec une pression partielle basse à l’aide d’un courant électrique, ou son chauffage, produira des spectres de raies. Les ampoules fluorescentes et les enseignes au néon fonctionnent de cette façon. Chaque élément affiche son propre ensemble de raies caractéristique, tout comme les molécules, bien que leurs spectres soient généralement beaucoup plus compliqués.

Chaque raie d’émission consiste en une seule longueur d’onde de lumière, ce qui implique que la lumière émise par un gaz est constituée d’un ensemble d’énergies distinctes. Par exemple, lorsqu’une décharge électrique passe à travers un tube contenant de l’hydrogène gazeux à basse pression, les molécules de H₂ sont séparées en atomes H séparés et une couleur bleu-rose est observée. Le passage de la lumière à travers un prisme produit un spectre de raies, indiquant que cette lumière est composée de photons de quatre longueurs d’onde visibles.

L’origine des spectres discontinus dans les atomes et les molécules était extrêmement troublante pour les scientifiques à la fin du XIXe siècle. Selon la théorie électromagnétique classique, seuls les spectres continus doivent être observés. D’autres raies distinctes pour l’atome d’hydrogène ont été trouvées dans les régions UV et IR. Johannes Rydberg généralisa le travail de Balmer et développa une formule empirique qui prédisait toutes les raies d’émission de l’hydrogène, pas seulement celles limitées au visible, où, n₁ et n₂ étant des nombres entiers, n₁ < n₂

Même à la fin du XIXe siècle, la spectroscopie était une science très précise, et donc les longueurs d’onde de l’hydrogène ont été mesurées avec une très grande exactitude, ce qui implique que la constante de Rydberg pouvait aussi être déterminée de façon très précise. Qu’une formule aussi simple que celle de Rydberg puisse expliquer des mesures aussi précises semblait stupéfiant à l’époque, mais c’est l’explication finale des spectres d’émission par Neils Bohr en 1913 qui a finalement convaincu les scientifiques d’abandonner la physique classique et a stimulé le développement de la mécanique quantique moderne.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 3.1 : Énergie électromagnétique.