OBJECTIFS. Savoir identifier les différents domaines des ondes électromagnétiques.

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1 4 Les ondes électromagnétiques et le photon Le V.L.A. (Very Large Array) au ouveau-mexique est formé d antennes paraboliques orientables, disposées au sol selon un immense Y inscrit dans un carré de côté de 30 km. Il capte les ondes radios qui proviennent de l univers. Dans le traitement d un cancer par rayonnements, un faisceau de rayons g (gamma) est focalisé pour traiter la tumeur. Les ondes radio, comme le rayonnement g, sont des ondes électromagnétiques qui transportent de l énergie. Qu y a-t-il en commun entre ces deux types d ondes, qu est-ce qui les différencie? BJETIFS Savoir identifier les différents domaines des ondes électromagnétiques. Découvrir la nature corpusculaire de la lumière : le photon. Savoir utiliser la relation qui permet de calculer l énergie d un photon : E = h n. Être informé des dangers des ondes électromagnétiques sur la santé. 51

2 4 Rechercher et expérimenter Les ondes électromagnétiques, étudiées en classe de Première, comprennent les radiations visibles, infrarouges (IR), ultraviolettes (UV) et les rayons X (RX). Découvrons deux nouveaux domaines d ondes électromagnétiques, celui des ondes radio et celui des rayons g, ainsi que l aspect corpusculaire des ondes électromagnétiques. Activité 1 Mettre en évidence des ondes hertziennes Les ondes hertziennes (ou ondes radio), découvertes à la fin du XIX e siècle par einrich ertz, ont bouleversé nos modes de communication (doc. 1). omment les mettre en évidence? RÉALISER ET BSERVER Disposer à proximité l un de l autre un GBF et un oscilloscope. Raccorder deux longs fils de liaison, maintenus verticalement, l un à une voie d entrée de l oscilloscope et l autre à la sortie du GBF (doc. 2). Régler la fréquence du GBF vers 200 kz, noter sa valeur n. Régler la base de temps de l oscilloscope sur le calibre 1 ms Div 1, observer le signal reçu par l oscilloscope, mesurer sa période. Faire varier la fréquence du GBF et observer le signal reçu. Régler un petit poste récepteur radio sur une station de la bande AM (148 kz kz), noter sa fréquence. Positionner alors le poste de radio à côté du GBF, et régler la fréquence du GBF sur celle de la station écoutée. Que constate-t-on? Doc. 1 Les émetteurs de la tour Eiffel. ITERPRÉTER ET EXPLITER 1 La période du signal reçu par l oscilloscope correspond-elle à la fréquence de réglage du GBF? 2 Quel est le rôle du fil de liaison relié à l oscilloscope? À quelle partie du poste radio correspond-il? 3 omment prouver que le signal reçu par l oscilloscope est émis par le GBF? 4 Les ondes électromagnétiques émises par le Doc. 2 Mise en évidence des ondes hertziennes. GBF se propagent à la vitesse c = km s 1. alculer la longueur d onde l, de l onde de fréquence 200 kz et compléter les domaines des rayonnements électromagnétiques en positionnant celui des ondes radio sur l axe suivant : l (en m) RX UV Visible IR 52 Les ondes électromagnétiques et le photon Rechercher et expérimenter

3 Activité 2 Découvrir le photon En 1905, Albert Einstein propose une interprétation de l effet photoélectrique, découvert par einrich ertz en RÉALISER ET BSERVER harger négativement, à l aide d un bâton d ébonite frotté avec une fourrure, un électroscope surmonté d une plaque de zinc (doc. 3). bserver. Éclairer la plaque de zinc, durant une minute à l aide d une lampe à incandescence puissante. bserver. Remplacer la lampe à incandescence par une source UV. bserver (doc. 4). Recharger l électroscope, interposer une lame de verre entre la plaque de zinc et la lampe UV, éclairer, observer. Doc. 3 harge d un électroscope. ITERPRÉTER ET EXPLITER 1 Le bâton d ébonite porte des électrons en excès qui sont transmis aux parties métalliques conductrices de l électroscope. Justifier le fait que les lames de l électroscope se repoussent. 2 Que se passe-t-il lorsque l électroscope se décharge? 3 Une lame de verre absorbe les rayons UV. Déduire des expériences, la nature des ondes électromagnétiques qui sont responsables de la décharge de l électroscope (effet photoélectrique). Tous ces rayonnements apportent pourtant à la plaque de zinc une énergie susceptible d arracher des électrons et de décharger l électroscope. omment répondre à ce paradoxe? SE DUMETER : L ITERPRÉTATI D EISTEI Doc. 4 État de l électroscope en présence d UV produits par la combustion d un ruban de magnésium. Albert Einstein fait l hypothèse Photon Absorption du photon Éjection que la lumière est constituée de UV de e corpuscules, les photons, qui incident l électron transportent des quanta d énergie e e e e e e e e (grains d énergie), dont la valeur a) Un seul photon UV permet d éjecter un électron du métal. est liée à la longueur d onde de la Photons Absorption du photon Diffusion de l énergie du visible dans radiation, l, par la relation : incidents le métal c e E = h e e e e e e e e l b) Les photons du visible ne permettent pas l éjection des électrons. (h est une constante). Doc. 5 Interprétation de l effet photoélectrique. Si l énergie du photon est supérieure à l énergie seuil, E s,nécessaire à l extraction de l électron du métal, celui-ci est arraché (doc. 5a). Sinon, il ne peut pas être extrait, même s il est touché successivement par plusieurs photons (doc. 5b). ITERPRÉTER ET EXPLITER 1 Les longueurs d ondes des radiations UV sont-elles plus petites ou plus grandes que celles des radiations du domaine visible? 2 omment varie l énergie d un photon en fonction de la longueur d onde? 3 Pourquoi un photon UV peut-il extraire un électron du métal, au contraire d un photon du visible? Les ondes électromagnétiques et le photon Rechercher et expérimenter 53

4 4 ours Étudions la nature des ondes électromagnétiques et leur mode d interaction avec la matière. 1 Les domaines des ondes électromagnétiques (.E.M.) Le spectre électromagnétique, très étendu (10 15 m < l < 10 5 m), est divisé en sept domaines, aux limites plus ou mois distinctes (doc. 6.a et activité 1). es ondes, de même nature physique, se propagent dans le vide, à la vitesse c = m s 1. 1 La longueur d onde, l, est reliée à la période, T, ou à la fréquence, n =, par les relations : T c l = c T et l =. n Le spectre des ondes électromagnétiques peut donc aussi être gradué en fréquence (doc. 6.b). a) l (en m) g RX UV IR Micro-ondes ndes hertziennes b) Visible n (en z) Doc. 6 Les domaines des ondes électromagnétiques a) longueur d onde ; b) fréquence. Exercices n 1 à 4 2 Le modèle du photon En 1900, Max Planck (prix obel 1918), émet l hypothèse que les ondes électromagnétiques transportent l énergie par paquets, appelés quanta d énergie. En 1905, Albert Einstein (doc.2 et activité 2) assimile ces quanta à des particules, de masse nulle et non chargées, appelées photons, qui se propagent à la vitesse de la lumière. Une onde électromagnétique de fréquence n peut être décrite par des photons qui transportent chacun une énergie, E, donnée par la relation : c E = h n = h. l h est la constante de Planck. Doc. 7 Portrait d Einstein. Avec : E en joules (J), n en hertz (z), l en mètres (m) et h = 6, J s. L énergie d un photon est d autant plus grande que la fréquence de l onde électromagnétique est grande ou que sa longueur d onde est petite. L électronvolt : Le joule étant une unité très grande par rapport à l énergie des photons, on utilise une unité plus appropriée, l électronvolt (ev), dont la valeur en joules est : 1 ev = 1, J. Exercices n 5 et 6 54 Les ondes électromagnétiques et le photon ours

5 3 Les spécificités des diverses radiations électromagnétiques Les rayonnements visibles, IR, UV, et RX ont déjà été étudiés en classe de Première (cf. livre de 1 re ST2S). Rappelons leurs principales spécificités en les complétant pour les nouveaux domaines. Domaines Quelques spécificités Exemples d utilisation ndes radio (ou hertziennes) l > 1 cm Micro-ondes 1 mm < l < 1 cm Infra rouges 800 nm < l < 1 mm Visible 400 nm < l < 800 nm Ultraviolets UV A 320 nm < l < 400 nm UV B 280 nm < l < 320 nm UV 10 nm < l < 280 nm Rayons X 10 3 nm < l < 10 nm Rayons g l < 10 3 nm Exercices n 7 et 8 Les ondes hertziennes permettent de transmettre des informations (images, sons, données numériques ) pour la télévision, la radio, le téléphone portable L effet des radiofréquences est un échauffement des tissus exposés. Des études d impact sur la santé sont en cours (usage du téléphone portable ). Les micro-ondes sont utilisées pour chauffer les aliments. Elles interviennent aussi dans les télécommunications, la télévision et dans les réseaux (Internet et Wi-Fi sans fils) L exposition à ces ondes peut s avérer dangereuse en cas de puissances élevées (relais). Les IR sont émis par les corps chauds. Plus leur température est élevée, plus la longueur d onde est courte. Les IR sont utilisés en médecine, dans le bâtiment Très absorbés par l eau et les tissus, les IR peuvent provoquer des brûlures. La lumière correspond à la bande étroite des.e.m. auquel notre œil est sensible. Grâce à la photosynthèse, ce rayonnement transforme tonnes de 2, par an, en molécules organiques complexes. Les lumières très intenses (laser) sont potentiellement dangereuses pour la vue. Les UV causent le bronzage de la peau et activent la synthèse de la vitamine D. Les rayons UV B et sont les plus dangereux ; ils sont d autant plus dangereux que leur longueur d onde est courte ; la couche d ozone absorbe les UV B et. Les UV solaires sont la principale cause du cancer de la peau. Très pénétrants, ces rayonnements sont utilisés en radiographie pour des diagnostics médicaux (tomographie) ou le repérage de fissures dans les matériaux. Très dangereux ; une exposition trop importante à ces rayons provoque des cancers. Les rayons g sont produits dans des conditions énergétiques extrêmes : accélérateurs de particules, réactions nucléaires Très énergétiques et très pénétrants, ils sont utilisés, avec les RX durs, pour le traitement des cancers. on maîtrisés, ces rayonnements sont extrêmement dangereux ; ils peuvent traverser plusieurs mètres de béton et provoquent de nombreux cancers. Antenne relais Un four micro-onde Fuites thermiques ellule chlorophyllienne Bronzage UV Radio X d une statuette arte g de la galaxie Les ondes électromagnétiques et le photon ours 55

6 4 ours 4 Les effets biologiques des rayonnements ionisants Le danger des ondes électromagnétiques croît avec leur fréquence, donc avec l énergie des photons qu elles transportent. Les rayonnements les plus dangereux sont les rayonnements UV et surtout X et g. Ils sont capables d arracher des électrons ; on les qualifie de ionisants (doc. 8). réation de radicaux libres Même les rayonnements ionisants les moins énergétiques, les UV A, créent des radicaux libres avec l eau de nos tissus pour donner le radical hydroxyl ( ) ou l anion superoxyde ( 2 ) (doc. 9). Les radicaux libres possèdent des électrons non appariés et sont chimiquement très réactifs. Ils interagissent avec l AD, les protéines et les lipides des membranes cellulaires. Doc. 8 lassement des rayonnements électromagnétiques. Les dégâts causés ont pour conséquences la destruction d éléments de la cellule, le blocage de la division ( 2 ) cellulaire qui conduisent à la mort de la cellule. Protection contre les rayonnements ionisants Dans le cas d exposition professionnelle aux UV, il est nécessaire de porter des gants et des lunettes anti-uv. Les radiations X et g sont signalées par un pictogramme spécifique (doc. 10). Ils peuvent atteindre tous les organes et même les cellules de la moelle osseuse. Une forte exposition provoque des cancers et des mutations génétiques transmissibles à la descendance. Pour lutter contre les risques professionnels d exposition à ces rayonnements (domaines de la santé, de l énergie nucléaire ) des règles de sécurité sont appliquées avec une surveillance médicale spécifique. Les personnes se protègent grâce à des matériaux contenant des atomes de numéros atomiques élevés (comme le plomb, Z = 82), car l absorption des rayonnements X et g par la matière augmente avec Z. ( ) Doc. 9 Radicaux libres. Doc. 10 Radiations ionisantes. Électron célibataire 56 Les ondes électromagnétiques et le photon ours

7 4 Activité documentaire Les rayons g (gamma) En 1900, le Français Paul Villard montre que les rayons g sont de même nature que les rayons X, tout en étant beaucoup plus énergétiques et pénétrants. Utilisés pour traiter le cancer, ces rayons sont aussi produits par des objets de notre Galaxie. Les rayonnements de la Galaxie Des rayons g, dont les photons ont une énergie au Doc. 1 Sources d émission g au centre de notre Galaxie (cliché en fausses couleurs, car les rayons g moins un million de fois supérieure à celle des photons ne sont pas visibles). du spectre visible, sont produits au centre de notre Galaxie. Leurs longueurs d ondes varient de à m. Une équipe de chercheurs a annoncé (2006) la détection par les télescopes erenkov.e.s.s. (amibie) de rayonnements g de très haute énergie provenant de gigantesques nuages de gaz qui baignent le centre de notre Galaxie. L émission de ces rayons g serait due aux frictions de la matière qui se trouve autour d un trou noir supermassif situé au centre de notre Galaxie. Un gigantesque accélérateur cosmique de particules! Les rayonnements de la radiothérapie La radiothérapie consiste à irradier une tumeur par un faisceau de rayonnements X et g. Les photons, très énergétiques, provoquent des lésions dans les molécules d AD qui entraînent la mort des cellules cancéreuses. Il est important de viser avec précision la tumeur pour épargner au maximum les tissus sains. Pour le traitement des cancers, les sources radioactives (voir chapitre 5) sont remplacées par des accélérateurs linéaires de particules (doc. 2) dont les faisceaux peuvent être mieux dirigés (focalisés) sur la partie du corps à traiter. Les accélérateurs linéaires fonctionnent selon le même principe que le tube de rookes : des particules chargées sont accélérées à de très grandes vitesses pour être violemment freinées sur une cible. Leur énergie est alors dissipée par rayonnements X et g. es accélérateurs produisent des rayonnements qui peuvent atteindre des fréquences de z. Doc. 2 Accélérateur linéaire. QUESTIS ompréhension du texte Rechercher ce qu est un trou noir. Quelle est la cause des rayonnements g produits par le centre galactique? omment sont produits les rayonnements g utilisés en radiothérapie? Utilisation des connaissances Le texte indique que l énergie d un photon g est un million de fois supérieure à celle d un photon du visible. Retrouver ce résultat. Les ondes électromagnétiques et le photon Activité documentaire 57

8 4 Activité documentaire Le four à micro-ondes Les fours à micro-ondes (doc. 1) permettent une cuisson rapide, sans graisse, qui conserve les substances nutritives, les vitamines et les sels minéraux. Ils permettent aussi des économies d énergie. omment fonctionnent ces appareils? L invention du four à micro-ondes Au cours de la Seconde Guerre mondiale, le radar, qui permet d anticiper les attaques aériennes, fait l objet de recherches intenses. Le radar comporte un magnétron (doc. 2) qui émet des ondes radio très courtes, lesquelles en se réfléchissant sur les carlingues métalliques des avions permettent de les localiser. L ingénieur américain Percy Spencer qui était chargé de perfectionner le magnétron observa qu une barre de chocolat qu il avait dans sa poche commençait à fondre alors qu il se trouvait à côté de l appareil. Le lendemain il fit une expérience avec un œuf qui explosa et du pop-corn qui se mit à sauter dans tous les sens. Les premiers appareils furent commercialisés en 1955 aux États-Unis. Aujourd hui 75 % des ménages français en possèdent un. La cuisson des aliments Les micro-ondes agissent sur les molécules polaires, comme la molécule d eau, en les faisant tourner sur elles-mêmes. Il en résulte des frottements qui provoquent une augmentation de la température de l aliment qui les contient. Plus les aliments sont riches en eau (90 % pour les fruits et légumes, 70 % pour la viande), plus vite ils s échauffent. À l intérieur de l enceinte du four, les micro-ondes émises par le magnétron se réfléchissent sur les parois métalliques, traversent la matière du plat (verre, porcelaine, matières plastiques), et sont absorbées par l aliment en le pénétrant sur deux ou trois centimètres. La chaleur diffuse alors vers l intérieur de l aliment. Les économies d énergie par rapport à un four traditionnel sont de l ordre de 50 à 80 %. La protection des usagers Le rayonnement micro-onde peut être dangereux, il peut brûler les tissus. L étanchéité du four est assurée par une porte grillagée (doc. 3) qui réfléchit les micro-ondes, et des joints spéciaux. Son alimentation électrique est coupée par un interrupteur dès que la porte est ouverte. Le niveau de fuite maximal toléré par les normes, mesuré à 5 cm de l appareil, est de 5 mw cm 2, soit de même niveau que celui d un téléphone portable. Doc. 3 Grille de la porte. Si le four n est pas endommagé, étant donné les distances et les durées d utilisation, l exposition aux ondes électromagnétiques est négligeable. QUESTIS ompréhension du texte Pourquoi l œuf, utilisé par Spencer pour voir les effets des micro-ondes, explose-t-il? omment est assurée la protection des usagers des micro-ondes émises par le four? Utilisation des connaissances L utilisation prolongée d un téléphone portable par les jeunes enfants est déconseillée. Pourquoi? Pour quelles raisons le four à micro-ondes est-il plus économique que le four traditionnel? 58 Les ondes électromagnétiques et le photon Activité documentaire Doc. 1 Four à micro-ondes. Doc. 2 Un magnétron.

9 4 Exercice corrigé Les mélanomes cutanés 1. Indiquer sur un axe orienté, selon les valeurs croissantes de longueurs d onde, les limites (dans le vide) du spectre visible et les couleurs correspondant à ces deux limites. 2. Situer, sur cet axe, le domaine des rayons ultraviolets UV et celui des infrarouges IR. 3. hoisir, parmi les valeurs suivantes celle(s) de la célérité c de la lumière dans le vide : km h 1 ; m s 1 ; km s 1 ; m s 1.es valeurs sont-elles toutes différentes? Mélanome cutané. 4. Une onde électromagnétique peut s interpréter comme un flux de photons. a. Quelle relation permet de calculer l énergie d un photon à partir de la longueur d onde de l onde électromagnétique? b. alculer l énergie d un photon UV pour lequel l = 330,3 nm. Donner sa valeur en joules et en ev. Données : h = 6, J s et 1 ev = 1, J. 5. Le nombre de personnes concernées par le mélanome malin (forme de cancer de la peau) a doublé en France en dix ans. a. Quel est le type de rayonnement électromagnétique qui en est responsable? b. iter deux exemples de sources de ce rayonnement auquel l homme peut être soumis. onseils 1. et 2. Se rappeler des limites des radiations visibles. Solution 1. et 2. UV 400 Visible 800 IR l (en m) 3. et 4. Attention aux unités, convertir si nécessaire. Le domaine visible a des longueurs d ondes comprises entre 400 nm et 800 nm, il est encadré par les UV (l plus courtes) et les IR (l plus grandes). 3. c = km s 1. Le texte propose donc deux valeurs exactes : c = km s 1 et m s a. L énergie d un photon est donnée par les relations : c c E = h n soit E = h car n =. l l b. D où : E = 6, ª 6, J ; 330, ,02 10 E = 19 ª 3,76 ev. 1, a. e sont les rayonnements UV, rayonnements ionisants, qui provoquent les cancers de la peau, en cas d exposition prolongée à ces rayons. b. Les UV sont produits par le soleil, source naturelle, ou par des lampes UV, comme les lampes de bronzage. Les ondes électromagnétiques et le photon Exercice corrigé 59

10 4 Bilan et exercices L essentiel Le spectre des ondes électromagnétiques (.E.M.) est divisé en sept domaines : ndes radio : 1 cm < l ; Micro-ondes : 1 mm < l < 1 cm ; IR : 800 nm < l < 1 mm ; Visible : 400 nm < l < 800 nm ; UV : 10 nm < l < 400 nm ; RX : 10 3 nm < l < 10 nm ; g : l < 10 3 nm. g RX UV Visible Dans le vide, les.e.m. se propagent à la vitesse c = m s 1. Les.E.M. sont caractérisées par leur fréquence, n en z, et leur longueur d onde, l en m. La fréquence et la longueur d onde sont liées par la relation : l =. c n L énergie de l.e.m. est transportée par des c photons, d énergie E = h n = h. l L énergie des photons augmente avec la fréquence et diminue avec la longueur d onde. Le danger des radiations croît avec la fréquence. Les rayons UV, X et g sont ionisants. IR Micro-ondes l (en m) BILA DU APITRE ndes hertziennes Les rayons X et g sont très pénétrants, des écrans de plomb (Z élevé) sont utilisés pour s en protéger. «heck up» Vrai ou Faux? orriger les propositions fausses. 1. Les ondes utilisées en radiophonie ont des longueurs d ondes très petites. 2. Les ondes radio se propagent moins vite dans le vide que les rayons g. 3. La fréquence des rayonnements IR est plus grande que celle des rayons X. 4. L énergie d un photon g est plus élevée que celle d un photon X. 5. La fréquence d une onde électromagnétique se calcule à partir de la relation : n = c l. 6. La longueur d onde d une.e.m. se calcule à c partir de la relation : l = h. E 7. Plus la longueur d onde est grande, plus l énergie du photon est grande. 8. L électronvolt est une énergie plus grande que le joule. 9. Les rayonnements ionisants ne sont pas dangereux. 10. Les rayons X et g sont peu pénétrants. Vérification des connaissances 1 Milieu de propagation et ondes n considère les ondes suivantes : ondes radio, lumière visible, ondes sonores, rayons X. 1. Quelles sont celles qui ne se déplacent que dans un milieu matériel? 2. Attribuer à chaque type d onde sa vitesse de propagation dans l air parmi les deux valeurs suivantes : c = m s 1 et v = 340 m s 1. 2 ndes radio Les ondes radio sont découpées en bandes de fréquences réservées à des activités spécifiques. Par exemple, pour la radiodiffusion à modulation de fréquence (FM), la bande autorisée en France est comprise entre 87,500 et 108,000 Mz. 1. Quelles sont les longueurs d ondes limites correspondant à cette bande de fréquence? 2. Positionner le domaine des ondes radio sur un axe gradué en longueurs d onde, parmi l ensemble des ondes électromagnétiques. Donnée : c = 3, m s 1, dans l air. 60 Les ondes électromagnétiques et le photon Exercices

11 3 Un éclair Lorsque l on voit un éclair dans le ciel, le bruit du tonnerre nous parvient plus tard. À quelle distance se situe l orage? 1. Quelles sont les ondes qui nous permettent de voir l éclair et quelles sont celles qui nous permettent d entendre son bruit? 2. Pourquoi ces deux signaux nous parviennent-ils décalés dans le temps? 3. Un éclair se produit à une distance de 3,4 km d un observateur : Quel temps, t l, met le signal lumineux pour parvenir à l observateur? Quel temps, t s, met le signal sonore pour parvenir à l observateur? omparer t l et t s. 4. En déduire une méthode simple pour estimer la distance à laquelle se situe un orage. Données : vitesse de la lumière : c = m s 1 ; vitesse du son dans l air : v = 340 m s 1. 4 Photon et laser Un laser à diode utilisé en chirurgie émet un rayonnement monochromatique, de longueur d onde dans le vide l = 810 nm. La puissance du faisceau émis est de 10 W et la durée de tir est réglable de 0,01 s à 100 s. Laser chirurgical à diode. 1. Quelle est la fréquence de la radiation émise par le laser, à quel domaine des ondes électromagnétiques appartient-elle? 2. Quelle est l énergie d un photon de cette radiation? Exprimer le résultat en joules puis en ev. 3. Quelle est l énergie fournie aux tissus lors d un tir laser d une durée égale à 0,01 s? 4. Quel nombre de photons a transporté le faisceau laser pendant cette durée? Données : c = m s 1 ; h = 6, J s ; 1 ev = 1, J. 5 L effet photoélectrique L effet photoélectrique consiste à arracher à la matière des électrons à partir de l énergie que leur transmet un photon. Pour cela l énergie du photon doit au moins être égale à l énergie d extraction de l électron, E s, qui dépend de la nature du matériau exposé à la lumière. Pour le sodium (a), cette énergie d extraction est égale à E s (a) = 2,28 ev et pour le platine (Pt), elle vaut E s (Pt) = 6,35 ev. 1. Exprimer la valeur de ces deux énergies en joules. 2. Déterminer les longueurs d ondes, l (a) et l (Pt), des radiations dont l énergie des photons correspond respectivement à E s (a) et E s (Pt). 3. À quels domaines des ondes électromagnétiques correspondent ces deux radiations? Quelle est la plus énergétique des deux? 4. n éclaire une surface du métal sodium par une radiation monochromatique de longueur d onde l (Pt). bservera-t-on un effet photoélectrique? 5. En sera-t-il de même si le métal est le platine et la longueur d onde de la radiation l (a)? Données : c = m s 1 ; h = 6, J s ; 1 ev = 1, J. 6 Les rayons UV L ozone de l atmosphère terrestre filtre les rayons UV solaires en absorbant ceux dont la longueur d onde est inférieure à 300 nm. 1. Quelle est la catégorie d UV que l atmosphère n absorbe pas, et quels sont ceux qu elle absorbe? 2. Quels sont les UV les plus dangereux pour la santé? Que provoquent-ils? 3. Les UV A ont-ils des effets bénéfiques pour la santé ou sont-ils dangereux? Préciser. 7 Les rayons X Les rayons X ont des fréquences comprises entre 2, z et 5, z environ. Découverts en 1895 par Wilhelm Röntgen, ces «merveilleux rayons» furent utilisés pour tout : épilation faciale, traitement de l acné, et ce jusqu en 1950! Wilhelm Röntgen ( ) premier Prix obel de physique. Les ondes électromagnétiques et le photon Exercices 61

12 4 Exercices 1. Quelles sont les limites en longueurs d onde, l max et l min, du domaine des rayons X? 2. Les utilisations citées dans le texte sont-elles opportunes? Pourquoi? 3. iter des applications médicales actuelles des rayons X. 8 Radiographie (comme l exercice corrigé) La radiographie utilise des ondes électromagnétiques très énergétiques dont il faut se protéger. 1. Quelle est l énergie des photons des rayons utilisés pour une radiographie dont la fréquence est : n = 5, z. Donnée : constante de Planck : h = 6, J s. 2. Rappeler la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide, c, et montrer que la longueur d onde de la radiation précédente est l = 0,6 nm. 3. ette radiation est-elle visible? Justifier en donnant les valeurs des longueurs d onde extrêmes des radiations visibles. À quel domaine des.e.m. appartient cette radiation? 4. Le résultat de la radiographie fait apparaître des zones blanches pour les os (composés en partie de calcium a, Z = 40) et noires pour la chair (composée en grande partie d eau, 2, Z() = 16 et Z() = 1). a. Qui de la chair ou des os absorbe le plus les rayons X? Pourquoi? b. iter un facteur, autre que le numéro atomique Z, qui influe sur l absorption des rayons X. 5. iter un moyen utilisé pour protéger efficacement des rayons X les opérateurs de radiographie. 9 Exercice à caractère documentaire : quantification des niveaux d énergie iels Bohr (en 1913) a postulé la quantification des niveaux d énergie de l atome. Le développement de la mécanique quantique a montré qu il en est de même pour toutes les entités du domaine microscopique, noyaux atomiques, atomes, molécules Les spectres d émission et d absorption de l hydrogène, constitués d une série de raies de longueurs d onde spécifiques et caractéristiques montrent que l atome n émet ou capte de la lumière que par quantum d énergie. a) b) Spectres de raies de l atome d hydrogène : a) Émission b) Absorption. Les niveaux d énergie de l atome d hydrogène Le document ci-dessous représente les niveaux d énergie possibles de l atome d hydrogène (en ev), sur lesquels peut se trouver son unique électron. Dans l état fondamental cet électron occupe le plus bas niveau d énergie. Les niveaux supérieurs correspondent à des états excités de l atome. Le niveau d énergie le plus élevé correspond à l atome ionisé. Spectres d absorption E (ev) 0 0,54 0,85 1,51 3,39 Atome ionisé iveau 5 iveau 4 iveau 3 iveau 2 D E 13,6 e iveau 1 (a) Atome à l état fondamental Atome ionisé iveau 5 iveau 4 iveau 3 e iveau 2 h n Photon absorbé iveau 1 (b) Passage à un état excité par absorption d un photon Atome ionisé iveau 5 iveau 4 iveau 3 iveau 2 h n Photon émis e iveau 1 (c) Désexcitation par émission d un photon iveaux d énergie de l atome d hydrogène, émission et absorption. Pour passer de l état fondamental à un état excité, l atome d hydrogène absorbe un photon dont l énergie (et donc la longueur d onde) correspond juste à la transition entre ces deux niveaux. Dans le cas du schéma b), la fréquence du photon absorbé est telle que : D E = E 2 E 1 = h n. Les raies noires du spectre d absorption correspon- 62 Les ondes électromagnétiques et le photon Exercices

13 dent à des transitions, vers le haut, entre des niveaux d énergie de l atome. Spectres d émission Dans des lampes à décharges électriques, les atomes passent à des états excités qui sont très instables. Ils descendent alors à des niveaux d énergie inférieurs pour revenir à l état fondamental. es désexcitations se font avec émissions de photons dont l énergie et la fréquence correspondent, comme pour l absorption, à l écart d énergie D E des niveaux (c). Répondre par vrai ou faux aux propositions suivantes en justifiant les réponses. 1. Les niveaux d énergie supérieurs ou égaux à 2 correspondent à des états excités de l atome d hydrogène. 2. Lorsque l atome passe du niveau n = 3 à n = 2, il émet une radiation visible. 3. Lorsque l atome passe du niveau n = 1 à n = 3, il émet une radiation UV. 4. Un atome d hydrogène, pris dans son état fondamental, peut absorber un photon d énergie 3,39 ev. Données : 1 ev = 1, J ; h = 6, J s ; c = 3, m s 1. 0 Le GPS Physique et société Système GPS. Le Global Positioning System (GPS) est un système de positionnement par satellite. La position sur la Terre est déterminée à partir des distances qui séparent un récepteur GPS de plusieurs satellites en orbite autour de la Terre, à km d altitude environ. La distance entre le satellite et le GPS sur la Terre est calculée à partir du temps mis par l onde pour lui parvenir. Pour connaître ce temps, le GPS compare l heure d émission du signal par le satellite et l heure de sa réception. Les communications s effectuent par des ondes électromagnétiques de fréquence de l ordre de 1,5 Gz, qui se propagent à la vitesse de la lumière, c = m s Quel est l ordre de grandeur des longueurs d ondes des micro-ondes utilisées par le GPS? 2. Situer les micro-ondes dans le spectre des ondes électromagnétiques. 3. alculer le temps de parcours du signal entre un satellite et un récepteur GPS distants de km. 4. La synchronisation et la précision des horloges du GPS et du satellite sont essentielles pour déterminer la position du GPS avec le moins d erreurs possibles. Quelle est la valeur de l erreur, sur le calcul de la distance entre le GPS et le satellite, provoquée par une imprécision de 1 millionième de seconde sur la mesure du temps de trajet de l onde? 5. La précision actuelle des positionnements est de 10 m. En déduire l imprécision maximale admissible sur la détermination du temps de trajet. q Le four à micro-ondes Le composant essentiel d un four à micro-ondes est un magnétron. est un générateur d ondes électromagnétiques de fréquence égale à 2,45 Gz. ette fréquence particulière est égale à la fréquence de vibration des molécules d eau contenues dans les aliments placés dans le four. Lors du fonctionnement du four, les ondes émises font entrer ces molécules d eau en vibration. es vibrations créent des frottements qui échauffent la nourriture. 1. alculer la longueur d onde dans le vide des ondes électromagnétiques émises par un magnétron. 2. Situer ces radiations parmi les domaines du spectre électromagnétique. Les ondes électromagnétiques et le photon Exercices 63

14 4 Exercices 3. alculer, en joules puis en ev, l énergie associée à ces ondes. 4. Pourquoi les aliments s échauffent-ils lorsqu ils sont placés dans un four à micro-ondes? 5. Pourquoi les parois du four doivent-elles être opaques aux micro-ondes? Données : c = m s 1 ; h = 6, J s ; 1 ev = 1, J. Physique et santé w L action mutagène des UV Les molécules organiques de notre organisme comportent des chaînes d atomes de carbone. L énergie nécessaire pour rompre une mole de liaisons A, est égale à 344 kj mol 1. Données : ç A = 6, mol 1 (constante d Avogadro) ; c = m s 1 ; h = 6, J s; 1 ev = 1, J. 1. alculer l énergie, E l, en joules puis en ev d une liaison A. 2. Déterminer la longueur d onde de la radiation électromagnétique dont l énergie du photon correspond à l énergie nécessaire pour rompre une liaison A. 3. À quel domaine des ondes électromagnétiques correspond cette radiation? 4. En déduire les types de rayonnements UV qui peuvent rompre les chaînes d AD et ainsi avoir une action mutagène. e Le traitement des cancers Les accélérateurs linéaires ont un intérêt majeur pour le traitement des tumeurs profondes (bronches, rectum, prostate, vessie ), en réduisant au maximum la toxicité superficielle cutanée. Le schéma ci-dessous présente les éléments essentiels d un tel appareil : A ellules d accélération Faisceau d électrons Plaque avec mâchoires X, Y D B Déviation du faisceau ible de tungstène Appareil de production de RX. A:Des électrons émis par un filament chauffé sont accélérés, dans un vide poussé, par des tensions électriques successives jusqu à atteindre une énergie cinétique de l ordre de 20 MeV. B:Le faisceau d électrons est dévié par des électroaimants. :Une cible en tungstène est interposée. Les électrons sont alors freinés par les noyaux positifs de la cible, il en résulte une émission de photons : le rayonnement de freinage ou Bremstrahlung. D:Des mâchoires métalliques déformables (selon X, Y) limitent la forme du faisceau à la taille de l organe à traiter. 1. Quel est le rôle de la cible de tungstène? 2. Pourquoi limite-t-on la surface du faisceau par des mâchoires métalliques? 3. L énergie maximale des photons produits par le freinage des électrons est égale à leur énergie cinétique initiale (avant l impact sur la cible). Quelle est la longueur d onde associée à ces photons? 4. À quel domaine des radiations électromagnétiques appartiennent ces photons? 64 Les ondes électromagnétiques et le photon Exercices

15 9 Des acides aminés aux protéines 2 Des peptides (petites protéines) synthétisés et sécrétés par les cellules nerveuses servent à transmettre des signaux entre les cellules. La molécule représentée est la TR : c est un tripeptide qui régule la sécrétion des hormones thyroïdiennes. omment sont liés les acides aminés constitutifs des protéines? Peut-on synthétiser de telles molécules? BJETIFS onnaître la liaison peptidique. Savoir écrire l équation de synthèse et d hydrolyse d un dipeptide. onnaître le principe de la synthèse peptidique. 125

16 9 Rechercher et expérimenter Dans le chapitre précédent, nous avons étudié l aspartame qui est l association de deux acides aminés grâce à la fonction amide.voyons comment cette fonction permet de former des macromolécules : les protéines et les polyamides. Activité 1 Fonction amide, liaison peptidique 1.1 La fonction amide La fonction amide est formée par élimination d une molécule d eau entre une molécule d acide carboxylique et une molécule d amine. Quelles sont les caractéristiques de la fonction amide? RÉALISER ET BSERVER onstruire les modèles moléculaires d une molécule d acide éthanoïque et d une molécule de méthanamine (doc. 1). Une fonction amide peut se former par réaction entre une fonction acide carboxylique et une fonction amine. Il y a simultanément formation d une molécule d eau. onstruire le modèle du produit obtenu (doc. 1). ITERPRÉTER ET EXPLITER a. b. c. Doc. 1 onstruction de modèles moléculaires. a. Acide éthanoïque. b. Méthanamine. c. Amide. 1 Sur le modèle moléculaire de la méthanamine, quel type de géométrie observe-t-on au niveau de la fonction amine? 2 Les groupes acide carboxylique, amine et amide sont représentés ci-contre (doc. 2). Écrire l équation bilan de la réaction de formation de l amide. 3 Sur le modèle moléculaire de l amide, quel type de Acide géométrie observe-t-on au niveau de la fonction amide? carboxylique Amine Amide 4 Repérer et nommer les atomes qui se trouvent dans Doc. 2 Fonctions acide carboxylique, amine et amide. un même plan. 1.2 La liaison peptidique ous avons vu qu un acide carboxylique réagit avec une amine pour former une fonction amide. Que se passe-t-il lorsque ces deux fonctions sont contenues dans la même molécule? Des composés bifonctionnels comme les acides a-aminés comportent une fonction acide carboxylique à un bout et une fonction amine à l autre bout. Ils peuvent être modélisés par des aimants (doc. 3). n associe au pôle nord d un aimant la fonction amine, et au pôle sud la fonction acide carboxylique. Lors de l approche de deux acides aminés, les pôles de même nature se repoussent et, les pôles de natures différentes s attirent. n choisit un aimant vert pour modéliser la molécule de glycine (doc. 4) et un aimant jaune pour modéliser la molécule d alanine (doc. 4). 2 Glycine Doc. 3 Barres aimantées. Doc. 4 es deux molécules d acides aminés peuvent conduire à la formation de dipeptides. 3 Alanine 126 Des acides aminés aux protéines Rechercher et expérimenter

17 RÉALISER ET BSERVER hoisir 4 aimants, 2 de couleur verte (glycine) et 2 de couleur jaune (alanine). Approcher, de chaque aimant, une aiguille aimantée (type boussole) et repérer en collant une gommette respectivement rouge et blanche, le pôle nord et le pôle sud de chacun des aimants. Réaliser, à l aide des quatre aimants, toutes les associations envisageables de deux aimants. Repérer la fonction «libre» du côté de la glycine dans chaque dipeptide formé à partir d une molécule de glycine et d une molécule d alanine. ITERPRÉTER ET EXPLITER 1 ombien de molécules de dipeptides différentes peut-on former à partir de ces deux acides aminés? Les écrire. 2 Expliquer la modélisation de la synthèse peptidique à l aide des aimants. Activité 2 Synthèse d un polyamide Les protéines sont des macromolécules naturelles alors que le nylon est un polyamide de synthèse, obtenu par une réaction de polycondensation. RÉALISER ET BSERVER Dans une capsule en porcelaine, placer un peu d acide 11- aminoundécanoïque et chauffer progressivement (doc. 5). Après fusion du solide, poursuivre le chauffage. Lorsque le liquide devient visqueux, plonger un baguette de verre à embout crocheté et tirer un fil de nylon. bserver. ITERPRÉTER ET EXPLITER 1 La formule développée de l acide 11-aminoundécanoïque est donnée (doc. 6). Quelles fonctions chimiques possède ce composé? 2 Le nylon fabriqué est le nylon 11 ou Rilsan (doc. 7), sa formule est donnée ci-dessous : ( 2 ) 10 ( 2 ) 10 Quelle groupe fonctionnel renferme le nylon 11? Recopier la molécule et entourer ce groupe. 3 Sur la formule de l acide 11-aminoundécanoïque, entourer le motif que l on retrouve dans le nylon 11. Quels atomes n apparaissent plus? 4 Peut-on faire une hypothèse sur la molécule qui s est formée conjointement au nylon lors de la réaction? ( 2 ) 10 Doc. 5 Matériel et produit chimique nécessaires pour la fabrication du nylon. ( 2 ) 10 Doc. 6 Formule de l acide 11-aminoundécanoïque. Doc. 7 Socquettes en Rilsan. Des acides aminés aux protéines Rechercher et expérimenter 127

18 9 ours Les acides a-aminés se lient en formant une ou plusieurs liaisons peptidiques pour obtenir de petites molécules comme l aspartame (chapitre 8) ou de très grosses comme les protéines. 1 La liaison peptidique 1.1 Formation de la liaison La fonction acide carboxylique d un acide a-aminé réagit avec la fonction amine d un autre acide a- aminé, il se crée une fonction amide (Activité 1). + * + R 1 A. a. n 1 R 2 R 1 R 2 A. a. n 2 Dipeptide Eau La fonction amide (encadrée en vert) qui unit deux acides a-aminés est appelée liaison peptidique. n obtient ainsi un dipeptide. ette réaction est une réaction de condensation : deux molécules s unissent avec élimination d une molécule d eau Structure Dans l activité 1, on voit, sur le modèle moléculaire, que les 6 atomes de la liaison peptidique appartiennent à un même plan (doc. 8). eci confère une certaine rigidité à l édifice. ette planéité a aussi des conséquences sur la structure des molécules, citons par exemple la structure spatiale des peptides et protéines (doc. 9). Exercices n 1 et 2 Les dipeptides 2.1 Synthèse Lorsque l on fait réagir deux acides a-aminés différents, par exemple la glycine et l alanine, on peut obtenir quatre dipeptides (activité 1). La fonction acide carboxylique de la glycine réagit avec la fonction amine de l alanine : Doc. 8 Les 6 atomes de la liaison peptidique appartiennent à un même plan. Doc. 9 Structure en hélice des protéines fibreuses (myosine dans les muscles) (kératine dans les cheveux). + * + 2 Gly 3 Ala Gly-Ala 3 La fonction acide carboxylique du dipeptide provient alors de la glycine, la fonction amine, de l alanine. 128 Des acides aminés aux protéines ours

19 La fonction acide carboxylique de l alanine réagit avec la fonction amine de la glycine : + * Ala Gly 3 Ala-Gly La fonction acide carboxylique du dipeptide provient alors de la glycine, la fonction amine de l alanine. n peut aussi obtenir des dipeptides ne contenant qu une variété d acide a-aminé, à savoir Ala-Ala et Gly-Gly. + * Ala 3 Ala 3 Ala-Ala 3 + * + 2 Gly Gly Gly-Gly ydrolyse L hydrolyse est la réaction inverse de la synthèse des dipeptides : on régénère les deux acides a-aminés. La réaction d hydrolyse s effectue en milieu acide et en chauffant. Le bilan est le suivant : À partir d un dipeptide, on peut ainsi retrouver la formule des acides a-aminés qui le constituent. Exercices n 3 à 5 Synthèse de polyamides 3.1 as des polypeptides Les polypeptides sont des polyamides naturels qui sont obtenus selon le principe décrit ci-dessous. omme les dipeptides ont une fonction acide carboxylique et une fonction amine, ils peuvent réagir avec un acide a-aminé pour donner un tripeptide. 2 araaar a ar a 2 * 2 araaar aaar a R R + 2 * R R Des acides aminés aux protéines ours 129

20 9 ours De même le tripeptide, comme le TR (document page 125), peut réagir puisqu il possède une fonction acide et une fonction amine. La chaîne s allonge et on obtient alors des polypeptides qui sont constitués à partir d un très grand nombre d acides a-aminés différents. Le séquençage des protéines permet de connaître le nombre, la nature chimique et l ordre des acides a-aminés dans l enchaînement de ces polypeptides (doc. 10). 3.2 as des polyamides artificiels Dans l activité 2, on a réalisé la synthèse d un polyamide à partir d acide 11-aminoundécanoïque. La réaction de condensation entre 2 molécules d acide 11-aminoundécanoïque s écrit : Doc. 10 hristian Anfinsen, biochimiste américain, a reçu le prix obel en 1972 pour ses travaux sur la structure spatiale d une protéine, la ribonucléase bovine. ( 2 ) 10 + ( 2 ) 10 * ( 2 ) 10 ( 2 ) La réaction se poursuit pour donner une macromolécule linéaire (obtention de fils). n peut obtenir d autres polyamides avec une diamine et un diacide carboxylique. Par exemple, le nylon 6-6 est ainsi obtenu avec de l hexane-1,6-diamine et de l acide hexanedioïque suivant l équation de réaction : Acide hexanedioïque hexane-1,6-diamine ( 2 ) 4 + ( 2 ) 4 * ( 2 ) 4 ( 2 ) * ( 2 ) 4 ( 2 ) 4 ( 2 ) 4 ylon 6-6 Dans cette macromolécule (polymère), un motif se reproduit (encadré en orange). Pour trouver la ou les molécules dont provient un polyamide, il suffit de la scinder au niveau des liaisons amide et de reformer les fonctions acide et amine (cf. paragraphe 2-2). Exercices n 6 et Des acides aminés aux protéines ours