Collision des électrons avec les atomes et ionisation
Les électrons peuvent également initier une désintégration bêta pour ioniser ou exciter les électrons, un processus qui dépend de :
- L'énergie de l'électron incident, qui est donnée par son énergie cinétique.
- L'énergie des électrons qui se déplacent autour de l'atome.
Que se passe-t-il lorsqu'un atome et des électrons entrent en collision ?
Les électrons peuvent être libérés par l'atome lorsqu'un photon l'impacte ou lorsqu'un isotope instable se brise en morceaux. Les électrons qui s'envolent librement avec des énergies cinétiques plus importantes peuvent impacter un autre atome, ce qui entraîne trois interactions possibles après cet impact :
- Lesétats de niveau excité: l'électron qui entre en collision avec l'atome donne son énergie cinétique à un autre électron déjà présent dans l'atome. L'électron qui reçoit l'énergie passe à un état excité et donc à une nouvelle orbite.
- Ionisation de l'atome en éliminant d'autres électrons. Si l'atome a déjà une charge négative, cela augmente encore sa charge positive.
- Conversion proton-neutron, c'est-à-dire la conversion d'un proton en neutron, qui peut se produire si le noyau capture un électron. Ce processus est appelé désintégration bêta plus, car il libère un positron (électrons positifs).
Que se passe-t-il lorsqu'un électron entre en collision avec un autre électron ?
Le premier type d'interaction entre un électron qui entre en collision avec un atome est l'excitation d'un autre électron. Lorsque l'électron qui percute l'atome donne son énergie cinétique à un autre électron qui est en orbite dans l'atome, tu peux supposer que l'électron était à l'état fondamental.
Comme l'électron qui vit dans l'atome est lié à son emplacement par une énergie fixe, l'excès d'énergie donné par l'autre électron le fait sauter à un autre niveau d'énergie.
L'électron restera dans un état excité pendant un certain temps. Cependant, comme l'atome cherche à être stable, l'électron finit par libérer son énergie excédentaire sous forme de photon. Après avoir libéré l'énergie excédentaire, l'électron retourne à l'état fondamental et à son niveau d'énergie initial.
Calcul des niveaux d'énergie après les collisions d'électrons
Tu dois utiliser la loi de conservation de l'énergie pour calculer l'énergie d'un électron qui saute des niveaux d'énergie à l'intérieur d'un atome après une collision avec un électron. Le nouveau niveau d'énergie est égal à celui donné par l'électron entrant.
\[E_a(électron)_{cinétique} = E_b(électron)_{niveau} + E_{résiduel}\]
Un électron volant avec une énergie cinétique de 10,2 électronvolts entre en collision avec un atome d'hydrogène. Qu'arrive-t-il à l'électron de l'hydrogène après la collision ?
Tout d'abord, il faut savoir que l'électron qui entre en collision avec l'atome va injecter de l'énergie à l'électron qui se trouve à l'intérieur de l'atome, le faisant sauter à un nouveau niveau d'énergie. Son énergie sera égale à celle fournie par l'électron entrant en collision avec l'atome.
\(E_a(électron)_{cinétique} = E_b(électron)_{niveau} + E_{residual}\)
Le niveau d'énergie est calculé comme la différence entre les niveaux d'énergie de l'atome. Tu trouveras dans le tableau suivant les trois premiers niveaux d'énergie de l'hydrogène :
| Niveau d'énergie | Nom | Niveau d'énergie "n | Énergie |
| 1er | État fondamental | n = 1 | -13,6 [eV] |
| 2ème | 1er état excité | n = 2 | -3,4 [eV] |
| 3ème | 2ème état excité | n = 3 | -1,5 [eV] |
L'énergie de l'électron entrant est utilisée pour déplacer l'électron vers le haut. Son énergie sera égale à la différence entre les deux niveaux.
\(E_b(électron)_{niveau} = E_{niveau \space haut} - E_{niveau \space bas}\)
Dans ce cas, nous soustrayons E2 de E1.
\(E_b(électron)_{niveau} = E_{n=2} - E_{n=1} = 10,2 [eV]\N)
L'électron de l'atome passera au niveau d'énergie n = 2, qui est le premier état excité ou le premier niveau d'énergie.
Mais qu'en est-il si tu veux savoir ce qu'il advient de l'électron par la suite ?
Le premier état excité est instable, car l'atome, cherchant la stabilité, va libérer l'énergie excédentaire sous la forme d'un photon. L'énergie libérée du photon sera égale à l'énergie gagnée par l'électron. Pour calculer cela, nous devons utiliser l'équation de l'énergie du photon comme ci-dessous.
\NÉnergie spatiale du photon = h \Ncdot f\N]
\N(10,2 [eV] = h \Ncdot f\N)
Ici, f est la fréquence du photon, tandis que h est la constante de Planck : h = 6,62 ⋅ 10-34 [j] par hertz. La fréquence du photon libéré après que l'électron soit retourné à son état fondamental se calcule comme suit :
\(f = \frac{10,2 [eV]}{6,62 \cdot 10^{-34}} [joules/seconde]\N).
Comme un électron-volt est égal à 1,6 ⋅ 10-19 [j], 10,2 [eV] sont égaux à \(1,63 \cdot 10^{-18}\) [j].
\(f = \frac{1,63 \cdot 10^{-18}) [joules]}{6,2 \cdot 10^{-18}) [j]. [joules]}{6,62 \cdot 10^{-34}} [joules/seconde]\N)
\N(f = 2,46 \Ncdot 10^{15} [1/s]\N)
Et si tu veux savoir si le photon libéré appartient à la lumière visible, au spectre des rayons X, à la lumière UV, aux ondes radio ou à une autre forme de rayonnement ?
Tu devras utiliser la relation photon-longueur d'onde-fréquence pour le savoir. Cette relation relie l'énergie du photon à sa fréquence et à la constante de Planck.
\[E_{photon} = h \cdot f\]
Nous savons également que l'énergie d'une onde est inversement proportionnelle à sa longueur d'onde, et le photon est un type d'onde.
\[E_{photon} = \frac{h \cdot c}{\lambda}\]
L'énergie du photon est égale à l'énergie de l'électron lorsque celui-ci revient à n = 1. L'énergie pour sauter en arrière est également égale à l'énergie utilisée pour monter de 1,63 ⋅ 10-18 [j] ou 10,2 [eV].
\(E_{photon} = 1,63 \cdot 10^{-18}[j]\)
Ceci est égal à la relation longueur d'onde-énergie.
\(\frac{h \cdot c}{\lambda} = 1,63 \cdot 10^{-18} [j]\N)
Comme la vitesse de la lumière (c) est de 3 ⋅108 [m / s] et que la constante de Plank est h = 6,62 ⋅ 10 -34 [Joules / Hertz], nous pouvons calculer la longueur d'onde λ comme suit :
\(\lambda = \frac{(6,62 \cdot 10^{-34} [j/Hz]) \cdot (3 \cdot 10^8 [m/s])}{1,63 \cdot 10^{-18}[j]}\).
\(\lambda = 1,22 \cdot 10^{-7}[m]\)
La longueur de cette longueur d'onde est d'environ 0,12 micromètre. En observant le spectre électromagnétique, tu constates que la gamme de la lumière UV s'étend d'environ 0,01 [micromètre] à 0,38 [micromètre]. Le photon libéré se situe dans cette plage, ce qui nous indique que le photon libéré après que l'électron est revenu à son état fondamental est de la lumière ultraviolette.
Qu'arrive-t-il à l'électron qui a fait sauter l'autre électron ? L'électron qui a donné l'énergie se retrouve avec une vitesse de 0.
Longueurs d'onde et fréquences des types de photons les plus courants
Les photons peuvent être classés en fonction de leur fréquence "f" (énergie) et de leur longueur d'onde respective "λ". Vois le tableau suivant, qui affiche les valeurs pour une série de photons.
| Photon | Longueur d'onde (\(\lambda\)) | Fréquence (hertz) |
| Rayons gamma | 0.001 | \(4.42 \cdot 10^{-30}\) |
| Rayons X | 1 | \(4.42 \cdot 10^{-33}\) |
| Lumière UV | 100 | \N(4,42 \Ncdot 10^{-35}\N) |
| Bleu foncé (visible) | 442-663 | \(1 \cdot 10^{-35} - 6.98 \cdot 10^{-36}\) |
| Infrarouge | 1000 | \(4.42 \cdot 10^{-36}\) |
Une bonne façon de convertir la fréquence des photons et la longueur d'onde est l'équation ci-dessous, où c est la vitesse de la lumière dans le vide.
\[f = \frac{c}{\lambda}\]
Collisions des électrons avec les atomes - Principaux enseignements
- Les électrons et les photons peuvent avoir un impact sur les atomes.
- L'impact des électrons et des photons injecte de l'énergie dans les électrons en orbite autour de l'atome.
- L'énergie des électrons change, les excite et les fait sauter sur une autre orbite ou même les éjecte.
- Les électrons qui ne sont pas excités sont dits dans leur état fondamental.
- Lorsque les électrons retournent à leur état fondamental, ils libèrent de l'énergie sous la forme d'un photon.
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