Vous feuilletez un interrupteur, la lampe se met en marche et baigne la salle dans une lumière douce: émission de lumière semble simple et directe. Comme cela arrive souvent dans la nature, cependant, ce processus est moins simple qu'il n'y paraît. Les scientifiques ont un sens de la façon dont les atomes excités émettent de la lumière à travers la mécanique quantique, la branche de la physique et de la chimie qui étudie le comportement de la matière au niveau atomique et subatomique.
Quantification de l'Énergie
Les systèmes de particules dans la mécanique quantique décrit par une fonction mathématique appelée fonction d'onde. Le wavefunction doit remplir plusieurs critères. Elle doit retourner une valeur unique pour chaque ensemble d'entrées; il doit être continu sur toute sa gamme; et le carré absolu du wavefunction doit être intégrable. En outre, il doit satisfaire à l'équation de Schrödinger dépendante du temps. Les conditions imposées à la fonction d'onde implique que seules certaines fonctions d'onde sont possibles pour un système donné, chacun étant associé à une valeur discrète de l'énergie. En d'autres termes, l'énergie est quantifiée. Vous ne pouvez pas donner un atome toute quantité d'énergie que vous choisissez; il ne peut avoir certaines valeurs discrètes d'énergie.
États Excited
L'état le plus bas d'énergie d'un système quantique est appelé l'état du sol, alors que les états d'énergie supérieure sont appelés états excités. Prenez l'hydrogène pour un exemple. Les fonctions d'onde d'un atome d'hydrogène sont appelés orbitales. Un atome d'hydrogène dans son état fondamental aura l'électron dans l'orbitale la plus basse possible, 1s. Si vous avez donné l'atome d'hydrogène énergie supplémentaire - si elle absorbe un photon de rayonnement électromagnétique, par exemple - l'électron serait "sauter" à une orbite plus élevée et l'atome serait maintenant dans un état excité.
Émission
Atoms émettent de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique quand ils "désintégration" à un niveau d'énergie plus faible, émettant un photon dans le processus. L'atome ne peut jamais avoir une énergie d'exactement zéro. L'énergie du photon, il émet doit être égale à la différence d'énergie entre l'état excité et l'état final. Cette énergie correspond à son tour à la fréquence de la lumière qu'il émet comme dicté par l'équation de Planck, E = hv, où v est la fréquence et h est une constante.
Spectra
Quand les atomes d'un élément donné sont chauffés, ils émettent de la lumière à certaines longueurs d'onde caractéristiques. Ces spectres d'émission sont utiles pour les physiciens et les astronomes; en effet, ils étaient l'un des indices qui ont conduit au développement de la mécanique quantique. Il en résulte également que les atomes ne peuvent absorber des photons dont l'énergie correspond à la différence entre les deux états souhaités. Par conséquent, les lignes sombres dans un spectre d'absorption pour un élément apparaissent dans les mêmes endroits que les lignes lumineuses dans un spectre d'émission.