La série Balmer : raies spectrales visibles de l’hydrogène
1 · Prédire
Un électron dans un atome d'hydrogène passe d'un niveau d'énergie supérieur au niveau n = 2, émettant un photon (la série Balmer - les seules raies d'hydrogène visibles à l'œil humain). La longueur d’onde émise dépend-elle du niveau à partir duquel l’électron est parti ?
- Oui — différents niveaux de départ donnent des longueurs d'onde différentes, discrètement espacées (les raies Balmer Hα, Hβ, Hγ...).
- Non - chaque transition jusqu'à n = 2 émet la même longueur d'onde.
- La longueur d'onde peut être n'importe quoi dans une plage continue, et non des valeurs discrètes.
2 · Configurer
- Ouvrez le préréglage balmer-alpha et appuyez sur Réinitialiser. La transition par défaut de ce préréglage est n = 3 → n = 2 (Hα, la ligne rouge de Balmer).
- Activez la lecture de la longueur d’onde émise.
- Définissez le niveau d’énergie de départ n_initial pour chaque essai (descendant à n_final = 2) et enregistrez la longueur d’onde émise.
3 · Collecter les données
| Niveau de départ n_i | Longueur d'onde émise λ (nm) |
|---|---|
| 3 | |
| 4 | |
| 5 |
Tracez 1/λ (axe y) par rapport à 1/n_i² (axe x) pour vos trois essais. La ligne est-elle droite ?
4 · Analyser
- Pour un essai, calculez 1/λ = R(1/n_f² − 1/n_i²) en utilisant la constante de Rydberg R = 1.09678×10⁷ m⁻¹ et n_f = 2. Comparez avec le tableau.
- Expliquez pourquoi les longueurs d'onde deviennent plus courtes (énergie plus élevée) à mesure que n_i augmente, mais l'espacement entre les lignes successives (Hα, Hβ, Hγ) diminue - elles convergent vers une limite de série plutôt que de s'écarter indéfiniment.
5 · Approfondir
- par Johann Balmer en 1885
- Les astronomes identifient l'hydrogène dans les étoiles lointaines en détectant ces longueurs d'onde exactes de Balmer dans le spectre de la lumière des étoiles. Expliquez pourquoi la découverte d'une longueur d'onde Balmer alpha décalée (pas exacte) dans le spectre d'une étoile indique aux astronomes que l'étoile se déplace par rapport à la Terre (l'effet Doppler).
La physique derrière cette expérience
Relation longueur d’onde–énergie du photon
Une fois que la transition entre niveaux d’énergie du modèle de Bohr (de n_i à n_f) donne l’énergie ΔE du photon émis, sa longueur d’onde suit directement de λ = hc/ΔE — la même relation qui relie l’énergie de tout photon à sa longueur d’onde. L’espacement des niveaux lui-même, et donc ΔE, est fixé par la formule de Rydberg 1/λ = R(1/n_f² − 1/n_i²).
Physique moderne
- L’effet photoélectrique : un seuil énergétique précis
- L'effet photoélectrique : potentiel d'arrêt
- Une vraie cellule photoélectrique : le travail d'extraction du sodium
- Diffusion Compton : décalage de longueur d'onde à 90°
- Diffusion Compton : décalage maximal à la rétrodiffusion
- Diffusion Compton : une comparaison à faible angle
- La série Lyman : lignes ultraviolettes d'hydrogène
- La série Paschen : lignes d'hydrogène infrarouges
- Désintégration radioactive : datation au carbone 14
- Radio-isotopes médicaux : la courte demi-vie du technétium 99m
- Énergie de liaison nucléaire : le modèle de la goutte de liquide
- Ondes de matière de Broglie : la longueur d'onde d'un électron
138 fiches de laboratoire de physique imprimables et gratuites