Spectre d’émission

Le spectre d’émission d’un élément chimique ou d’un composé chimique est le spectre des Fréquences d’ un rayonnement électromagnétique émis en raison d’un électron passant d’un état de haute énergie à un état d’énergie plus faible. L’ énergie photonique du photon émis est égale à la différence d’énergie entre les deux états. Il existe de nombreuses transitions électroniques possibles pour chaque atome, et chaque transition a une différence d’énergie spécifique. Cette collection de différentes transitions, conduisant à différentes longueurs d’ onde rayonnées, constituent un spectre d’émission. Le spectre d’émission de chaque élément est unique. Par conséquent, la spectroscopie peut être utilisée pour identifier des éléments dans une matière de composition inconnue. De même, les spectres d’émission de molécules peuvent être utilisés dans l’analyse chimique de substances.

Spectre d’émission d’une lampe aux halogénures métalliques. Une démonstration des raies D d’émission de sodium D 589 nm D ₂ (à gauche) et 590 nm D ₁ (à droite) à l’aide d’une mèche avec de l’eau salée dans une flamme

Émission

En physique , l’émission est le processus par lequel un état mécanique quantique d’énergie plus élevée d’une particule est converti en un état inférieur par l’émission d’un photon , ce qui entraîne la production de lumière . La fréquence de la lumière émise est fonction de l’énergie de la transition.

Comme l’énergie doit être conservée, la différence d’énergie entre les deux états est égale à l’énergie emportée par le photon. Les états énergétiques des transitions peuvent conduire à des émissions sur une très large gamme de Fréquences. Par exemple, la Lumière visible est émise par le couplage d’états électroniques dans les Atomes et les molécules (le phénomène est alors appelé fluorescence ou phosphorescence ). D’autre part, les transitions de coque nucléaire peuvent émettre des Rayons gamma à haute énergie , tandis que les transitions de spin nucléaire émettent des ondes radio à basse énergie .

L’ émittance d’un objet quantifie la quantité de lumière qu’il émet. Cela peut être lié à d’autres propriétés de l’objet par la loi de Stefan-Boltzmann . Pour la plupart des substances, la quantité d’émission varie avec la température et la composition spectroscopique de l’objet, entraînant l’apparition de raies de température de couleur et d’émission . Des mesures précises à de nombreuses Longueurs d’onde permettent l’identification d’une substance par Spectroscopie d’émission .

L’émission de rayonnement est généralement décrite à l’aide de la mécanique quantique semi-classique : les niveaux d’énergie et les espacements des particules sont déterminés à partir de la mécanique quantique , et la lumière est traitée comme un champ électrique oscillant qui peut entraîner une transition si elle est en résonance avec la fréquence naturelle du système. Le problème de mécanique quantique est traité à l’aide de la théorie des perturbations dépendant du temps et conduit au résultat général connu sous le nom de règle d’or de Fermi . La description a été remplacée par l’électrodynamique quantique , bien que la version semi-classique continue d’être plus utile dans la plupart des calculs pratiques.

Origines

Lorsque les Électrons de l’atome sont excités, par exemple en étant chauffés, l’ énergie supplémentaire pousse les Électrons vers des orbitales d’énergie plus élevée. Lorsque les Électrons retombent et quittent l’état excité, l’énergie est réémise sous la forme d’un photon . La longueur d’onde (ou de manière équivalente, la fréquence) du photon est déterminée par la différence d’énergie entre les deux états. Ces photons émis forment le spectre de l’élément.

Le fait que seules certaines couleurs apparaissent dans le spectre d’émission atomique d’un élément signifie que seules certaines Fréquences de lumière sont émises. Chacune de ces Fréquences est liée à l’énergie par la formule :

E photon = h ν , {displaystyle E_{text{photon}}=hnu ,} ${displaystyle E_{text{photon}}=hnu ,}$ ${displaystyle E_{text{photon}}=hnu ,}$ où E photon {displaystyle E_{text{photon}}} $E_{text{photon}}$ $E_{text{photon}}$ est l’énergie du photon, ν {displaystylenu } est sa fréquence , et h {displaystyle h} est la Constante de Planck . Ceci conclut que seuls les photons avec des énergies spécifiques sont émis par l’atome. Le principe du spectre d’émission atomique explique les couleurs variées des enseignes au néon , ainsi que les résultats des tests de flamme chimique (décrits ci-dessous).

Les Fréquences de lumière qu’un atome peut émettre dépendent des états dans lesquels les Électrons peuvent se trouver. Lorsqu’il est excité, un électron se déplace vers un niveau d’énergie supérieur ou une orbite. Lorsque l’électron retombe au niveau du sol, la lumière est émise.

Spectre d’émission de l’hydrogène

L’image ci-dessus montre le spectre d’émission de Lumière visible pour l’hydrogène . Si un seul atome d’hydrogène était présent, alors une seule longueur d’onde serait observée à un instant donné. Plusieurs des émissions possibles sont observées car l’échantillon contient de nombreux Atomes d’hydrogène qui sont dans différents états d’énergie initiaux et atteignent différents états d’énergie finale. Ces différentes combinaisons conduisent à des émissions simultanées à différentes Longueurs d’onde.

Spectre d’émission du fer

Rayonnement des molécules

En plus des transitions électroniques décrites ci-dessus, l’énergie d’une molécule peut également changer via des transitions rotationnelles , vibrationnelles et vibroniques (combinées vibrationnelles et électroniques). Ces transitions d’énergie conduisent souvent à des groupes étroitement espacés de nombreuses raies spectrales différentes , appelées bandes spectrales . Les spectres de bande non résolus peuvent apparaître comme un continuum spectral.

Spectroscopie d’émission

La lumière est constituée d’un rayonnement électromagnétique de différentes Longueurs d’onde. Par conséquent, lorsque les éléments ou leurs composés sont chauffés soit sur une flamme, soit par un arc électrique, ils émettent de l’énergie sous forme de lumière. Analyse de cette lumière, à l’aide d’un spectroscopenous donne un spectre discontinu. Un Spectroscope ou un spectromètre est un instrument utilisé pour séparer les composants de la lumière, qui ont des Longueurs d’onde différentes. Le spectre apparaît dans une série de raies appelée spectre de raies. Ce spectre de raies est appelé spectre atomique lorsqu’il provient d’un atome sous forme élémentaire. Chaque élément a un spectre atomique différent. La production de spectres de raies par les Atomes d’un élément indique qu’un atome ne peut émettre qu’une certaine quantité d’énergie. Cela conduit à la conclusion que les Électrons liés ne peuvent pas avoir n’importe quelle quantité d’énergie, mais seulement une certaine quantité d’énergie.

Le spectre d’émission peut être utilisé pour déterminer la composition d’un matériau, car il est différent pour chaque élément du tableau périodique . Un exemple est la spectroscopie astronomique : identifier la composition des étoilesen analysant la lumière reçue. Les caractéristiques du spectre d’émission de certains éléments sont clairement visibles à l’œil nu lorsque ces éléments sont chauffés. Par exemple, lorsque du fil de platine est plongé dans une solution de nitrate de sodium puis inséré dans une flamme, les Atomes de sodium émettent une couleur jaune ambrée. De même, lorsque l’indium est inséré dans une flamme, la flamme devient bleue. Ces caractéristiques précises permettent d’identifier les éléments par leur spectre d’émission atomique. Toutes les lumières émises ne sont pas perceptibles à l’œil nu, car le spectre comprend également les rayons ultraviolets et le rayonnement infrarouge. Un spectre d’émission est formé lorsqu’un gaz excité est observé directement à travers un Spectroscope.

Schéma de principe de l’émission spontanée

La Spectroscopie d’émission est une technique spectroscopique qui examine les Longueurs d’onde des photons émis par des Atomes ou des molécules lors de leur transition d’un état excité à un état d’énergie inférieure. Chaque élément émet un ensemble caractéristique de Longueurs d’onde discrètes en fonction de sa structure électronique , et en observant ces Longueurs d’onde, la composition élémentaire de l’échantillon peut être déterminée. La Spectroscopie d’émission s’est développée à la fin du 19e siècle et les efforts d’explication théorique des spectres d’émission atomique ont finalement conduit à la mécanique quantique .

Il existe de nombreuses façons d’amener les Atomes à un état excité. L’interaction avec le rayonnement électromagnétique est utilisée dans la spectroscopie de fluorescence , les protons ou d’autres particules plus lourdes dans l’émission de rayons X induite par les particules et les Électrons ou les photons de rayons X dans la spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie ou la fluorescence des rayons X. La méthode la plus simple consiste à chauffer l’échantillon à une température élevée, après quoi les excitations sont produites par des collisions entre les Atomes de l’échantillon. Cette méthode est utilisée en Spectroscopie d’émission de flamme , et c’était aussi la méthode utilisée par Anders Jonas Ångström lorsqu’il a découvert le phénomène des raies d’émission discrètes dans les années 1850. ^[1]

Bien que les raies d’émission soient causées par une transition entre des états d’énergie quantifiés et puissent à première vue sembler très nettes, elles ont une largeur finie, c’est-à-dire qu’elles sont composées de plus d’une longueur d’onde de lumière. Cet Élargissement de la raie spectrale a de nombreuses causes différentes.

La Spectroscopie d’émission est souvent appelée Spectroscopie d’émission optique en raison de la nature lumineuse de ce qui est émis.

Histoire

En 1756, Thomas Melvill a observé l’émission de motifs de couleur distincts lorsque des sels étaient ajoutés aux flammes d’ alcool . ^[2] En 1785, James Gregory découvrit les principes du réseau de diffraction et l’astronome américain David Rittenhouse fabriqua le premier réseau de diffraction technique . ^{[3] [4]} En 1821 , Joseph von Fraunhofer a solidifié ce saut expérimental significatif consistant à remplacer un prisme comme source de dispersion de longueur d’onde améliorant la résolution spectrale et permettant de quantifier les Longueurs d’onde dispersées. ^[5]

En 1835, Charles Wheatstone a rapporté que différents métaux pouvaient être distingués par des lignes brillantes dans les spectres d’émission de leurs étincelles , introduisant ainsi une alternative à la spectroscopie de flamme. ^{[6] [7]} En 1849, JBL Foucault a démontré expérimentalement que les raies d’ absorption et d’émission à la même longueur d’onde sont toutes deux dues au même matériau, la différence entre les deux provenant de la température de la source lumineuse. ^{[8] [9]} En 1853, le physicien suédois Anders Jonas Ångström a présenté des observations et des théories sur les spectres de gaz. ^[dix]Ångström a postulé qu’un gaz incandescent émet des rayons lumineux de même longueur d’onde que ceux qu’il peut absorber. Au même moment, George Stokes et William Thomson (Kelvin) discutaient de postulats similaires. ^[8] Ångström a également mesuré le spectre d’émission de l’hydrogène étiqueté plus tard les raies de Balmer . ^{[11] [12]} En 1854 et 1855, David Alter a publié des observations sur les spectres de métaux et de gaz, en incluant une observation indépendante des lignes de Balmer d’hydrogène. ^{[13] [14]}

En 1859, Gustav Kirchhoff et Robert Bunsen remarquèrent que plusieurs raies de Fraunhofer (raies du spectre solaire) coïncidaient avec des raies d’émission caractéristiques identifiées dans le spectre des éléments chauffés. ^{[15] [16]} Il a été correctement déduit que les lignes sombres dans le spectre solaire sont causées par l’absorption par des éléments chimiques dans l’ Atmosphère solaire . ^[17]

Technique expérimentale en Spectroscopie d’émission de flamme

La solution contenant la substance pertinente à analyser est aspirée dans le brûleur et dispersée dans la flamme sous forme d’une fine pulvérisation. Le solvant s’évapore en premier, laissant des particules solides finement divisées qui se déplacent vers la région la plus chaude de la flamme où les Atomes et les ions gazeux sont produits. Ici, les Électrons sont excités comme décrit ci-dessus. Il est courant d’utiliser un monochromateur pour permettre une détection facile.

À un niveau simple, la Spectroscopie d’émission de flamme peut être observée en utilisant simplement une flamme et des échantillons de sels métalliques. Cette méthode d’analyse qualitative est appelée test de flamme . Par exemple, les sels de sodium placés dans la flamme brilleront en jaune à partir des ions de sodium, tandis que les ions de strontium (utilisés dans les fusées éclairantes) la coloreront en rouge. Le fil de cuivre va créer une flamme de couleur bleue, cependant en présence de chlorure donne du vert (apport moléculaire par CuCl).

Coefficient d’émission

Le coefficient d’émission est un coefficient de la puissance de sortie par unité de temps d’une source électromagnétique , une valeur calculée en physique . Le coefficient d’émission d’un gaz varie avec la longueur d’ onde de la lumière. Il a des unités de ms ⁻³ sr ⁻¹ . ^[18] Il est également utilisé comme mesure des émissions environnementales (en masse) par MWh d’ électricité produite , voir : Facteur d’émission .

Diffusion de la lumière

Dans la diffusion Thomson, une particule chargée émet un rayonnement sous la lumière incidente. La particule peut être un électron atomique ordinaire, de sorte que les coefficients d’émission ont des applications pratiques.

Si X dV d Ω dλ est l’énergie diffusée par un élément de volume dV dans l’angle solide d Ω entre les Longueurs d’onde λ et λ + dλ par unité de temps, alors le coefficient d’émission est X .

Les valeurs de X dans la diffusion Thomson peuvent être prédites à partir du flux incident, de la densité des particules chargées et de leur section efficace différentielle Thomson (aire/angle solide).

Émission spontanée

Un corps chaud émettant des photons a un coefficient d’émission monochromatique lié à sa température et à sa puissance totale de rayonnement. Ceci est parfois appelé le second coefficient d’Einstein et peut être déduit de la théorie de la mécanique quantique .

Voir également

Spectroscopie d’absorption
Spectre d’absorption
Ligne spectrale atomique
Spectroscopie électromagnétique
Lampe à décharge , Tableau des spectres d’émission des lampes à décharge
Décalage isomérique
Décalage isotopique
Coefficient lumineux
Physique des plasmas
Formule de Rydberg
Théorie spectrale
L’ équation Diode comprend le coefficient d’émission (qui n’est pas lié à celui discuté ici)
Émission thermoionique

Références

^ Incorporé, SynLube. “Analyse d’huile par spectroscopie” . www.synlube.com . Récupéré le 24/02/2017 .
^ Melville, Thomas (1756). “Observations sur la lumière et les couleurs” . Essais et observations, physiques et littéraires. Lire Avant une société à Édimbourg,… . 2 : 12–90. ; voir pages 33–36.
^ Voir :
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- Fraunhofer, Jos. (1823) “Kurzer Bericht von den Resultaten neuerer Versuche über die Gesetze des Lichtes, und die Theorie derselben” (Brève description des résultats de nouvelles expériences sur les lois de la lumière et leur théorie) Annalen der Physik , 74 (8): 337–378.
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^ Carroll, Bradley W. (2007). Une introduction à l’astrophysique moderne . Californie, États-Unis : Pearson Education . p. 256.ISBN _ 978-0-8053-0402-2.

Liens externes

Spectres d’émission des gaz atmosphériques
Données de référence physique du NIST—Bases de données de spectroscopie atomique
Simulation de couleur du spectre d’émission d’éléments basée sur les données NIST
Spectre d’émission d’hydrogène