Spectre d émission et spectre d absorption de quelques éléments chimiques

Transcription

1 AS: 009/010 PROF : Mr BECHA Adel ( prof principal) 4 eme Sciences exp, maths et technique Matière : Sciences physiques SERIE D EXERCICES Objet : : Les spectres atomiques Spectre d émission et spectre d absorption de quelques éléments chimiques Spectre Elément chimique Mercure Hg Photo du spectre Emission Sodium Na Hydrogène Mercure Hg Absorption Sodium Na Hydrogène 1

2 Emission- Absorption Mercure Hg Sodium Na EXERCICE 1 On donne le diagramme des énergies d hydrogène. 1- Des rayonnements électromagnétiques de différentes énergies W traversent le gaz dihydrogène. En supposant que l atome d hydrogène est dans son état fondamental, les photons de l un des rayonnements suivants sont absorbés par l atome d hydrogène. Lequel? Justifier la réponse. -1,5-3,4 E(ev) Atome H ionisé de l atome -13,6 Rayonnement Energie W(ev) 1 3,4 1,9 3 10, - Définir l énergie d ionisation de l atome d hydrogène pris dans son état fondamental et donner sa valeur en ev. 3- Expliquer ce qui se passe lorsqu un atome d hydrogène, pris dans son état fondamental, reçoit un photon ayant une énergie W=14,0 ev. Calculer, en joule, l énergie cinétique de l électron lorsqu il quitte l atome d hydrogène.

3 EXERCICE Données : charge élémentaire : e = 1, C Constante de Planck : h = 6, J.s élérité de la lumière dans le vide : c = m.s -1 1eV = 1, J 1nm = 10-9 m Le spectre de l atome d hydrogène est obtenu par décharge électrique dans un tube contenant du dihydrogène sous faible pression. Deux électrodes situées à chaque extrémité du tube permettent d appliquer une différence de potentiel. Lorsque les paramètres ( d.d.p, température, pression) sont correctement fixés, on observe l émission de lumière dont l analyse est faite à l aide d un spectroscope. Le spectre obtenu est constitué, dans sa partie visible, de quatre raies notées H H H H de longueurs d onde respectives dans le vide : 656,7 nm ; 486,13 nm ; 434,05 nm ; 410,17 nm. 410,17 434,05 486,13 656,7 Spectre d'ém ission de l'atom e d'hydrogène 1. Sachant que les couleurs des raies émises sont bleue, indigo, rouge et violette, restituer à chaque radiation sa couleur.. En 1885, le physicien suisse Balmer, remarque que les longueurs d onde de ces quatre radiations satisfont à une relation empirique : n 0 = 367,7 nm n est un nombre 0 n 4 entier naturel non nul (n N*).1. Indiquer la plus petite valeur possible de n. En déduire la longueur d onde de la raie correspondante... Quelles valeurs doit prendre n pour retrouver les autres raies visibles du spectre? 3. Les niveaux d énergie quantifiés de l atome d hydrogène sont donnés par la relation : E E 13,6eV 0 0 En (ev) n n est un nombre entiernaturelnon nul. Pour n = 1 l énergie de l atome est minimale, l atome est dans son état fondamental. Pour toutes les autres valeurs de n ( n ), l atome est dans un état excité Expliquer brièvement le terme niveau d énergie quantifié. Que représente E 0 pour l atome d hydrogène? 3.. Etablir, en fonction de n, la fréquence n, (exprimée en Hz) des radiations émises lorsque cet atome passe d un état excité n > à l état excité n = Retrouver l expression empirique de Balmer : 3

4 n 0, étant exprimée en nm. n 4 A quelle transition correspond l émission de la radiation de longueur d onde 0? Justifier la réponse Tracer le diagramme représentant les transitions entre les différents niveaux d énergie de l atome d hydrogène pour les quatre raies H, H, H, H de la série de Balmer Quelle est l énergie cinétique minimale d un électron projectile capable de provoquer par choc l excitation d un atome d hydrogène de son état fondamental à son deuxième état excité? 4.. Sous quelle tension minimale cet électron projectile, initialement au repos, a-t-il été accéléré? 4.3. L atome d hydrogène précédemment excité revient à son état fondamental avec émission de deux photons. Déterminer les longueurs d onde de ces deux photons. EXERCICE 3 Données : célérité de la lumière dans le vide : m/s; constante de Plank : h=6, Js ; charge élémentaire : e = 1, C. On rappelle que l'énergie d'un atiome d'hydrogène est quantifiée et ne peut prendre que les valeurs suivantes : E n = E 0 / n² avec E 0 = -13,6 ev et n = 1,, Représenter sur un diagramme les niveaux d'énergie en électron-volts de l'atome d'hydrogène pour n compris entre 1 et 5. Préciser ce qu'on appelle état fondamental et état excité. S'aider de ce diagramme pour justifier le caractère discontinu du spectre d'émission de l'atome d'hydrogène.. Qu'appelle-t-on énergie d'ionisation de l'atome d'hydrogène? Quelle est sa valeur? 3. L'atome d'hydrogène passe du niveau d'énergie correspondant à n=5 au niveau n=3. - Calculer la longueur d'onde de la radiation émise. - A quelle domaine de radiation cette longueur d'onde appartient-elle? - Les quatre premières raies de la série de Balmer correspondant au niveau n= ont pour longueur d'onde : 410 nm, 434 nm, 486 nm, 656 nm. Les longueurs d'ondes de la série de paschen sont supérieures à 80 nm. Les séries de Balmer et de Paschen ont été découvertes respectivement en 1885 et Justifier cette chronologie. 4. L'atome d'hydrogène étant dans un état correspondant au niveau n=3, il reçoit un photon d'énergie 0,5 ev. Le photon est-il absorbé? - L'atome d'hydrogène étant dans un état correspondant au niveau n=3, il reçoit un photon d'énergie ev. Montrer que l'électron est arraché. Calculer son énergie cinétique en ev. 4

5 EXERCICE 4 A/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 excitée par un faisceau d'électrons gui 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 = 6,6 x 10 3 J.s ; c =.3, 00 x 10 8 m / s et e = 1,60 x C L'analyse du spectre d'émission d'une lampe à vapeur de sodium révèle la présence de raies de longueur d'onde bien définie. Spectre d'émission d'une lampe à vapeur de sodium.1 - Quelles sont les longueurs d'onde des raies appartenant au domaine du visible? au domaine des ultraviolets? au domaine de l'infrarouge?. - S'agit-il d'une lumière polychromatique ou monochromatique? Justifier voire réponse..3 - Quelle est la valeur de la fréquence de la raie de longueur d'onde = 589,0 nm..4 - Parmi les données présentées au début de l'exercice, que représentent les grandeurs h et e. B/. - On donne le diagramme simplifié des niveaux d'énergie de l'atome de sodium. 5

6 1- En quoi ce diagramme permet-il de justifier la discontinuité du spectre d'émission d'une lampe à vapeur de sodium? - On considère la raie jaune du doublet du sodium de longueur d'onde = 589,0 nm. 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). 6