Ondes électromagnétiques, photon

Une onde électromagnétique de fréquence $v$ ou de longueur d’onde $\lambda$ peut aussi être décrite par des photons qui transportent chacun un quantum d’énergie $\rm E$ :

$$\displaystyle \mathrm E = h \times v = \frac{h \times c}{\lambda}$$

Avec $\rm E$ en Joule $\rm(J)$, $h$ constante de Planck (en $\rm J.s$).

Les niveaux d'énergie d'un atome sont quantifiés et ne prennent que certaines valeurs.

L’état de plus haute énergie correspond à l’état ionisé $\rm E_\infty = 0~eV$. Les énergies des autres niveaux sont négatives.

Absorption de la lumière par un atome :

Un atome qui se retrouve dans un état caractérisé par un niveau d'énergie $\rm E_{inf}$ peut absorber certains photons d'énergie $\rm E$ bien précise et passer dans un état d'énergie $\rm E_{sup}$ supérieure.

L'énergie $\rm E$ de ce photon correspond à l'énergie gagné par l'atome.

$$\color{black}{\begin{array}{|c|} \hline \rm E = E_{sup} - E_{inf}\\ \hline \end{array}}$$

Ainsi, la longueur d'onde du photon absorbé est :

$$\displaystyle \mathrm E = \frac{hc}{\lambda} \Leftrightarrow \begin{array}{|c|} \hline \displaystyle \lambda = \frac{hc}{\rm E} = \frac{hc}{\rm E_{sup} - E_{inf}}\\ \hline \end{array}$$

Emission de la lumière par un atome :

Un atome qui se retrouve dans un état excité (par échange électrique, absorption de lumière, chauffage…) caractérisé par un niveau d'énergie $\rm E_{inf}$ en émettant un photon.

L'énergie $\rm E$ de ce photon correspond à l'énergie perdue par l'atome.

$$\begin{array}{|c|} \hline \rm E = E_{sup} - E_{inf}\\ \hline \end{array}$$

Ainsi, la longueur d'onde du photon émis sera :

$\displaystyle \mathrm E = \frac{hc}{\lambda} \Leftrightarrow \boxed{\displaystyle \lambda = \frac{hc}{\rm E} = \frac{hc}{\rm E_{sup} - E_{inf}}}$

Comme tous les atomes possèdent des niveaux d'énergie bien définis, ils ne peuvent émettre que certains photons de longueur d'onde bien précise correspond à une transition énergétique possible de l'atome. Ceci conduit, dans le domaine visible, à l'observation des raies de couleurs dans le spectre de raies d'émission.