Chapitre 6 : Notions de Quantum et Spectroscopie
I. Nombres Quantiques et Propriétés des Électrons
1. Introduction aux Nombres Quantiques
Les nombres quantiques sont des paramètres essentiels pour décrire l'état des électrons dans un atome. Voici un aperçu approfondi des quatre types de nombres quantiques :
1.1. Nombre Quantique Principal (n)
- Définition : Le nombre quantique principal indique le niveau d'énergie principal d'un électron et la taille de l'orbitale. Il détermine également l'énergie moyenne de l'électron.
- Exemple : Pour un électron dans l'atome d'hydrogène, représente l'état fondamental, tandis que représente un état excité.
1.2. Nombre Quantique Secondaire ou Azimutal (l)
- Définition : Le nombre quantique secondaire détermine la forme de l'orbitale. Il est lié à l'angularité du moment et peut prendre des valeurs de 0 à .
- Types d'orbitales :
- : Orbitale (sphérique)
- : Orbitale (en forme de lobes)
- : Orbitale (plus complexe)
- : Orbitale (encore plus complexe)
- Exemple : Dans un atome de carbone (), les orbitales sont les orbitales , et sont les orbitales .
1.3. Nombre Quantique Magnétique (mₗ)
- Définition : Le nombre quantique magnétique décrit l'orientation spatiale de l'orbitale. Il peut prendre des valeurs entières de à .
- Exemple : Pour une orbitale (), peut être , , ou , correspondant aux trois orientations possibles des orbitales dans l'espace.
1.4. Nombre Quantique de Spin (mₛ)
- Définition : Le nombre quantique de spin décrit l'orientation du spin de l'électron, qui peut être soit soit .
- Exemple : Dans une orbitale contenant deux électrons, l'un aura un spin de et l'autre pour respecter le principe d'exclusion de Pauli.
2. Propriétés des Électrons
2.1. Principe d'Exclusion de Pauli
- Définition : Aucun deux électrons dans un atome ne peuvent avoir les mêmes valeurs pour les quatre nombres quantiques.
- Exemple : Dans l'atome de néon, les électrons dans les orbitales , , et sont tous disposés de manière à ce que chaque orbitale puisse contenir deux électrons avec des spins opposés.
2.2. Règle de Hund
- Définition : Les électrons remplissent les orbitales dégénérées (de même énergie) de manière à maximiser le nombre de spins parallèles avant de les appairer.
- Exemple : Dans la configuration électronique de l'azote (), les trois électrons de l'orbitale occupent d'abord les trois orbitales séparément avec des spins parallèles avant de se coupler.
2.3. Configuration Électronique
- Définition : La configuration électronique décrit la répartition des électrons dans les différentes orbitales d'un atome.
- Exemple : La configuration de l'atome de sodium est . Les électrons remplissent d'abord les orbitales , , puis avant d'ajouter un électron dans l'orbitale .
II. Spectroscopie Atomique et Applications
1. Spectroscopie Atomique
1.1. Spectre d'Émission
- Définition : Lorsqu'un électron excité retourne à un état d'énergie plus bas, il émet de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques. Le spectre d'émission est constitué de raies spectrales correspondant à ces longueurs d'onde.
- Exemple : Le spectre d'émission de l'hydrogène montre des raies distinctes dans les régions du rouge, vert, et bleu du spectre lumineux, connues sous les noms de séries de Balmer, Lyman, et Paschen.
1.2. Spectre d'Absorption
- Définition : Lorsqu'un atome absorbe de la lumière, les électrons passent à des niveaux d'énergie plus élevés, et le spectre d'absorption montre les longueurs d'onde absorbées.
- Exemple : Lorsqu'une lumière blanche passe à travers un gaz d'hydrogène, certaines longueurs d'onde sont absorbées par les électrons qui passent aux niveaux d'énergie supérieurs, produisant des raies noires dans le spectre continu.
1.3. Spectroscopie de Fluorescence
- Définition : Technique où un échantillon émet de la lumière lorsqu'il est excité par une source lumineuse. La fluorescence est utilisée pour détecter des molécules spécifiques.
- Exemple : Les colorants fluorescents utilisés en biologie cellulaire, comme la fluorescéine, émettent une lumière verte lorsqu'ils sont excités par une lumière UV.
2. Applications de la Spectroscopie Atomique
2.1. Analyse Chimique
- Définition : Utilisation de la spectroscopie pour identifier et quantifier les éléments dans un échantillon.
- Exemple : La spectroscopie d'absorption atomique est utilisée pour mesurer la concentration de métaux lourds dans les échantillons d'eau, tels que le plomb et le cadmium.
2.2. Détermination de la Structure des Molécules
- Définition : La spectroscopie, combinée à d'autres techniques, aide à déterminer la structure moléculaire.
- Exemple : La spectroscopie infrarouge (IR) fournit des informations sur les groupes fonctionnels dans les molécules organiques, comme les groupes hydroxyles (-OH) ou carbonyles (C=O).
2.3. Études Astrophysiques
- Définition : Analyse de la lumière émise par les étoiles et les galaxies pour déterminer leur composition et leurs propriétés.
- Exemple : La spectroscopie de l'absorption des étoiles permet d'étudier la présence de divers éléments chimiques et la température des étoiles.
2.4. Applications Médicales
- Définition : Détection et analyse de pathologies à l'aide de techniques spectroscopiques.
- Exemple : La spectroscopie Raman est utilisée pour identifier des biomolécules et des tissus dans des échantillons médicaux.