Émission et absorption : la relation ΔE = hf

Le lien entre niveaux et couleurs

On a maintenant les deux pièces : les atomes ont des niveaux d'énergie quantifiés, et la lumière est faite de photons d'énergie E = hf. Reste à les relier. C'est le mécanisme de transition.

Une transition = un saut entre deux niveaux

Un atome peut changer de niveau, mais jamais s'arrêter entre deux : il saute d'un niveau permis à un autre. Ce saut s'accompagne toujours d'un échange d'énergie avec un photon, dans un sens ou dans l'autre.

L'absorption : l'atome monte

Si un photon d'énergie exactement égale à l'écart entre deux niveaux arrive, l'atome peut l'absorber et monter vers le niveau supérieur. Le photon disparaît.

   AVANT              APRES
   ---- n=2           ---- n=2  <-- electron monte
                                    ^
    photon hf                       |  absorption
      ~~~>                          |
   -O-- n=1           ---- n=1
   (electron en bas)

   condition :  hf = E2 - E1

L'émission : l'atome descend

Inversement, un atome dans un état excité est instable : il retombe vers un niveau inférieur en émettant un photon qui emporte exactement l'énergie perdue.

   AVANT              APRES
   -O-- n=2           ---- n=2
   (electron excite)
                                    photon hf
    descente          ---- n=1  --> ~~~>  emis
   ---- n=1           -O-- n=1

   condition :  hf = E2 - E1  (meme ecart -> meme couleur)

La relation fondamentale

Dans les deux cas, l'énergie du photon est imposée par l'écart entre les deux niveaux :

   |ΔE| = E(haut) - E(bas) = h × f = h × c / λ

C'est la clé de tout :

• L'atome ne peut échanger que des énergies égales aux écarts entre ses niveaux.
• Chaque écart correspond donc à une fréquence, donc une couleur bien précise.
• Comme les niveaux sont propres à chaque élément, les couleurs émises le sont aussi.

Voilà pourquoi un atome n'émet que des raies, et pourquoi ce sont toujours les mêmes. Les positions des raies dans le spectre sont la traduction directe du diagramme de niveaux.

Émission et absorption : mêmes raies

On comprend aussi pourquoi les raies d'absorption coïncident avec les raies d'émission : c'est le même écart ΔE qui gouverne les deux, une fois dans le sens de la montée, une fois dans celui de la descente. La transition n=1 -> n=2 absorbe exactement le photon que la transition n=2 -> n=1 émettrait.

En résumé

Un atome ne change de niveau que par sauts, en absorbant (montée) ou en émettant (descente) un photon dont l'énergie vaut exactement l'écart entre les deux niveaux : |ΔE| = hf = hc/λ. Comme les écarts sont quantifiés et propres à chaque élément, chaque atome n'échange qu'un jeu précis de couleurs — ses raies spectrales.