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Transcription

1 Accompagnement Modèle de Bohr TS

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3 Table des matières 3

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5 Objectifs Savoir que l'énergie de l'atome est quantifiée Connaître et exploiter la relation entre énergie et fréquence, connaître la signification de chaque terme et leur unité. Interpréter un spectre de raies. 5

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7 Introduction Niels Bohr (Credit: AIP Niels Bohr Library) Cette ressource accompagnée contient un rappel de cours, une simulation ainsi qu'un tutoriel pour utiliser cette simulation. Des exercices interactifs et une évaluation vous permettrons de savoir si vous avez acquis les compétences ci-dessous. Les compétences travaillées lors de cette activités sont : - Comprendre que l'énergie de l'atome est quantifiée. - Connaître la signification des termes de la relation E=h. - Connaître les unités des termes de la relation E=h. - Savoir qu'un atome peut absorber ou émettre un photon. - Savoir calculer la fréquence ou la longueur d'onde du photon émis ou absorbée. - Savoir interpréter le spectre de raie d'émission d'un atome. Pré-requis : relation entre fréquence et longueur d'onde = c 7

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9 Rappel de cours I - I Fondamental : Les niveaux d'énergie de l'atome L'énergie de l'atome ne peut prendre que des valeurs discrètes, caractéristiques de cet élément chimique. Ci-dessous, vous trouverez le diagramme des niveaux d'énergie de l'atome de sodium exprimés en électron-volt. Le niveau fondamental correspond au niveau n=1, l'atome est stable. le niveau n égal l'infini correspond à l'état ionisé, l'atome a perdu un électron. Les autres niveaux sont les états excités de l'atome. Fondamental : Relation fondamentale Niveaux d'énergie de l'atome de sodium Les échanges d'énergie entre l'atome et rayonnement sont quantifiés. L'énergie échangée entre l'atome et un rayonnement électromagnétique s'exprime par: E=h E, représente l'énergie échangée en joules (noté J) h est la constante de Planck et vaut : h=6, J.s est la fréquence du photon absorbé ou émis. Cette fréquence s'exprime en hertz (noté Hz) la longueur d'onde du photon est donnée par : = c ; c est la vitesse de la lumière. Fondamental : Spectres d'absorption et spectres d'émission 9

10 Rappel de cours spectre de l'hydrogène Le spectre de raies d'émission ci-dessus est caractéristique de l'atome d'hydrogène. Chaque raie correspond à la longueur d'onde d'un rayonnement d'énergie égale à la variation d'énergie de l'atome lors de sa transition d'un niveau d'énergie plus élevé vers un niveau plus bas. Les spectres d'émissions sont obtenus en décomposant la lumière émise par les lampes à vapeur de gaz de ces éléments. niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogéne Dans cet exemple le photon émis possède une énergie égale à E 4 E 2 spectre d'émission de l'atome d'hydrogène Le spectre de raies d'absorption de l'atome d'hydrogène est constitué de raies sombres sur fond clair dont les longueurs d'onde sont identiques à celles des raies colorées du spectre d'émission. Le spectre d'absorption est obtenu en décomposant la lumière blanche ayant traversée de l'hydrogène gazeux. 10

11 Rappel de cours niveauxatome2 Dans cet exemple le photon absorbé possède une énergie égale à E 5 E 1 11

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13 Simulation et II - tutoriel de la simulation pour comprendre le cours Simulateur : Simulation de l'atome de Bohr par PHET Voici une simulation 1 qui vous aidera à comprendre les compétences visées, cette simulation a été crée par l'université du Colorado. Cliquez sur le lien et entraînez vous. Simulateur : Voici un tutoriel animé et sonorisé pour apprendre à se servir de la simulation présentée ci-dessus. II

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15 Exercice 1 III - III Observez bien l'image ci-dessus et cochez les bonnes réponses. L'atome absorbe un photon. L'atome émet un photon. niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogéne L'énergie du photon est égale à la variation d'énergie de l'atome entre le niveau 4 et le niveau 2. L'énergie du photon est égale à la variation d'énergie de l'atome entre le niveau 5 et le niveau 2. 15

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17 Exercice 2 IV - IV Observez le spectre ci-dessus et complétez le texte ci-dessous. L'axe gradué correspond à la longueur d'onde des photons et il est gradué en nanomètre. Le spectre de raies d' ci-dessus est caractéristique de l'atome d'. Chaque raie correspond à la longueur d'onde d'un rayonnement d'énergie égale à la d'énergie de l'atome lors de sa transition d'un niveau d'énergie plus élevé vers un niveau plus bas. Le spectre de raies d'absorption de l'atome d'hydrogène est constitué de raies sur fond clair dont les longueurs d'onde sont à celles des raies colorées du spectre d'émission. Le spectre d'absorption est obtenu en décomposant la lumière blanche ayant spectre de l'hydrogène de l'hydrogène gazeux. 17

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19 Exercice 3 V - V 1. à une transition entre deux niveaux d'énergie. 2. Pour qu'un atome passe 3. il doit absorber un photon 4. d'énergie Ej-Ei, 5. chaque raie du spectre d'absorption correspond 6. d'un niveau d'énergie faible Ei à un niveau d'énergie Ej plus élevé Réponse : 19

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21 Exercice 4 VI - VI Données : charge électrique élémentaire : e = 1, C ; constante de Planck : h = 6, J.s ; célérité de la lumière dans le vide : c = 3, m.s -1. La couleur jaune-orangé correspond à une transition concernant les deux premiers niveaux (n = 1 et n = 2). Quelle est la longueur d'onde de la radiation émise par la lampe? 5,89*10-7 m 1,13*10-6 m 589 nm 1130 nm 9,43*10-26 m Niveaux d'énergie de l'atome de sodium 21

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23 Exercice 5 VII - VII Données : charge électrique élémentaire : e = 1, C constante de Planck : h = 6, J.s célérité de la lumière dans le vide : c = 3, m.s -1. Déterminer, d'après le diagramme, la plus courte longueur d'onde de la radiation que peut émettre l'atome de sodium. Préciser à quel domaine spectral appartient cette radiation. 331 nm 242 nm 410 nm ultra-violet violet Infra-rouge rouge Niveaux d'énergie de l'atome de sodium 23

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25 VIII - Evaluation VIII Exercice 1 Remettre dans l'ordre cette propriété des atomes. 1. sont caractéristiques 2. que des valeurs discrètes. 3. d'un même élément chimique. 4. L'énergie d'un atome 5. ne peut prendre 6. des atomes 7. Ces niveaux énergétiques Réponse : Exercice 2 Associer chacune des notations présentes dans l'équation ci-dessus avec le nom de la grandeur physique correspondante. i ii iii Energie échangée entre l'atome et le rayonnement constante de Planck E=h fréquence du rayonnement émis ou absorbé E h Exercice 3 Pour chacune des grandeurs présentes dans l'équation ci-dessus, associer la grandeur à son unité. i ii iii joule*seconde joule hertz E=h 25

26 Evaluation énergie constante de Planck fréquence Exercice 4 Cocher la ou les bonnes réponses, sachant que les transitions envisagées sont représentées par les flèches bleu, rouge, violette et verte. Niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène La flèche violette correspond à l'absorption d'un photon par l'atome. La flèche rouge correspond à l'absorption d'un photon par l'atome. La flèche bleu correspond à l'absorption d'un photon. La flèche rouge correspond à la plus grande fréquence d'un photon absorbé ou émis. Exercice 5 Calculer la fréquence du photon émis lors de la transition correspondant à la flèche bleu. Données : charge électrique élémentaire : e = 1, C constante de Planck : h = 6, J.s célérité de la lumière dans le vide : c = 3, m.s

27 Evaluation Niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène 1,46*10 33 Hz 2,75*10 14 Hz 2,34*10 14 Hz Exercice 6 Calculer la longueur d'onde du photon émis lors de la transition correspondant à la flèche verte. A quel domaine appartient ce photon? Données : charge électrique élémentaire : e = 1, C constante de Planck : h = 6, J.s célérité de la lumière dans le vide : c = 3, m.s

28 Evaluation Niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène 6,98*10-26 m 4.36*10-7 m 436 nm Bleu rouge 28

29 Résumé du cours IX - IX Ressource accompagnée sur le modèle de Bohr Simulation sur le modèle de Bohr sur Phet : 2 Cette ressource accompagnée est hébergée sur le site de l'académie de Grenoble : ftp://ftp.ac-grenoble.fr/telphy/accompa/web/co/web.html 3 Fondamental : Les niveaux d'énergie de l'atome L'énergie de l'atome ne peut prendre que des valeurs discrètes, caractéristiques de cet élément chimique. Ci-dessous, vous trouverez le diagramme des niveaux d'énergie de l'atome de sodium exprimés en électron-volt. Le niveau fondamental correspond au niveau n=1, l'atome est stable. le niveau n égal l'infini correspond à l'état ionisé, l'atome a perdu un électron. Les autres niveaux sont les états excités de l'atome. Fondamental : Relation fondamentale Niveaux d'énergie de l'atome de sodium Les échanges d'énergie entre l'atome et rayonnement sont quantifiés. L'énergie échangée entre l'atome et un rayonnement électromagnétique s'exprime par: E=h E, représente l'énergie échangée en joules (noté J) h est la constante de Planck et vaut : h=6, J.s est la fréquence du photon absorbé ou émis. Cette fréquence s'exprime en hertz (noté Hz) ftp://ftp.ac-grenoble.fr/telphy/accompa/web/co/web.html 29

30 Résumé du cours la longueur d'onde du photon est donnée par : = c ; c vitesse de la lumière. Fondamental : Spectres d'absorption et spectres d'émission Emission d'un photon Le spectre de raies d'émission ci-dessus est caractéristique de l'atome d'hydrogène. Chaque raie correspond à la longueur d'onde d'un rayonnement d'énergie égale à la variation d'énergie de l'atome lors de sa transition d'un niveau d'énergie plus élevé vers un niveau plus bas. Absorption d'un phton Le spectre de raies d'absorption de l'atome d'hydrogène est constitué de raies sombres sur fond clair dont les longueurs d'onde sont identiques à celles des raies colorées du spectre d'émission. 30

31 X - Impression X Ouvrir le document bohr.pdf ci-dessous.vous pouvez imprimer soit l'ensemble de la ressource accompagner soit les pages 29 à 31 pour n'avoir que le résumé. 31

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33 Culture scientifique XI - XI Complément : Le laser 4 Pour comprendre le laser