Ouverture au monde quantique

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1 Ouverture au monde quantique I) QUELQUES RAPPELS 1) Force de gravitation et force électrique 2) Les ondes électromagnétiques a) Domaine des ondes électromagnétiques - les infrarouges (IR), de 800 à 1400 nm (invisible) - du rayonnement visible, de 400 à 800 nm (visible) - des ultraviolets (UV), de 100 à 400 nm (invisible) b) Cas particulier : lumière visible, IR, UV. 1 c) Période et fréquence d) Célérité dans le vide e) Longueur d onde 3) Limite de la mécanique Newtonienne 1 Voir cours ondes Ouverture au monde quantique Page 1 sur 5

2 II) LUMIERE : ASPECT CORPUSCULAIRE (THEORIE DE PLANCK-EINSTEIN) 1) Enoncé de la théorie Une onde lumineuse (ou plus généralement une onde électromagnétique) monochromatique de longueur d onde dans le vide λ 0, de fréquence ν, peut-être modélisée par un flux de particules appelées photons. Chaque photon trasporte une quantité élémentaire d énergie appelé quantum d énergie de valeur : E= h. ν E en joule (J) ν en hertz (Hz) ou s -1 h : constante de Planck de valeur 6,626x J.s Exprimer E en fonction de la longueur d onde 2) Caractéristiques du photon Un photon a : une masse nulle une charge électrique nulle une célérité égale à celle de la lumière soit 3,00x10 8 m.s -1 III) QUANTIFICATION DE L ENERGIE DE L ATOME 1) Niveaux d énergie d un atome L énergie d un atome est quantifiée : elle ne peut prendre que certaines valeurs appelées niveaux d énergie. A chaque atome correspond un ensemble de niveaux d énergie discrets notée E i où i est un entier. 2) Exemple : l atome d hydrogène Les niveaux d énergie de l atome d hydrogène sont donnés par la relation : =-, Commentaires E n en ev 13,6 en ev n 1, (n est un entier il appartient à l ensemble ) 3) Référence des énergies d un atome 4) Etat fondamental états excités 5) Représentation des niveaux d énergie 6) Transitions atomique Ouverture au monde quantique Page 2 sur 5

3 IV) SPECTRES ATOMIQUES 1) Spectre d émission 2) Spectre d absorption V) INTERPRETATION DES SPECTRES 1) Spectre d émission Ouverture au monde quantique Page 3 sur 5

4 2) Spectre d absorption 3) Exemple : atome d hydrogène a) Spectre d émission Le spectre d émission de l atome est constitué de quatre raies intenses de longueur d onde : 656 nm 486 nm 434 nm 410 nm Rouge Bleu Indigo violet 1) Définir les transitions responsables de l émission des différentes radiations. 2) Déterminer la longueur d onde de la radiation correspondant à la transition n= 3 vers n=2 en nanomètre. b) Spectre d absorption 1) Déterminer la position des raies du spectre d absorption de l hydrogène 2) Représenter sans échelle les transitions correspondantes. Ouverture au monde quantique Page 4 sur 5

5 VI) QUANTIFICATION DES ENERGIES DES MOLECULES ET DES NOYAUX DES ATOMES Problème Lampe à vapeur de sodium On utilise les lampes à vapeur de sodium pour éclairer des tunnels routiers. Ces lampes contiennent de la vapeur de sodium à très faible pression. Cette vapeur est excité par un faisceau d électrons qui traverse le tube. Les atomes de sodium absorbent l énergie des électrons. L énergie est restituée lors du retour à l état fondamental sous forme de radiations lumineuses. Les lampes à vapeur de sodium émettent surtout de la lumière jaune. Données: h=6,62x10-34 J.s c=3,00x10 8 m/s e=1,60x10-19 C 1- L analyse du spectre d émission d une lampe à vapeur de sodium révèle la présence de raies de langueur d onde λ bien définies Quelles sont les longueurs d onde des raies appartenant au domaine visible? au domaine des ultraviolets? au domaine de l infrarouges? 1.2- S agit-il d une lumière monochromatique ou polychromatique? Justifier votre réponse? 1.3- Quelle est la valeur de la fréquence ν de la raie de longueur d onde λ=589,0 nm? 1.4- Parmi les données présentes au début de l exercice, que représentent h et e.? 2- On donne en annexe à remettre avec la copie le diagramme simplifié des niveaux d énergie de l atome de sodium Indiquer sur le diagramme l état fondamental et les état excités En quoi ce diagramme permet-il de justifier la discontinuité du spectre d émission d une lampe à vapeur de sodium? 2.3- On considère la raie jaune du doublet du sodium de longueur d onde λ=589,0nm Calculer l énergie E (en ev) qui correspond à l émission de cette radiation. (On donnera le résultat avec le nombre de chiffres significatifs adapté aux données) Sans justifier, indiquer par une flèche notée 1 sur le diagramme des niveaux d énergie la transition correspondante. 3- L atome de sodium, considéré maintenant à l état E 1, reçoit une radiation lumineuse dont le quantum d énergie E à pour valeur 1,09eV Cette radiation peut-elle interagir avec l atome de sodium dans l état E 1? Justifier Représenter sur le diagramme la transition correspondante par une flèche notée 2. La raie associée à cette transition est-elle une raie d absorption ou une raie d émission? Justifier votre réponse. Ouverture au monde quantique Page 5 sur 5

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