Aurélie 02/04/13
 

 

QCM : spectre d'émission du mercure,  niveau d'énergie, principe du laser.



 


Spectre d'émission de l'atome de mercure.
Ce spectre présente une raie ultraviolette de longueur d'onde l = 254 nm. Les raies du spectre de l'atome de mercure résultent des transitions entre ses différents niveaux d'énergie. Le diagramme ci-dessous représente, sans souci d'échelle, certains niveaux d'énergie de l'atome de mercure.
E0 désigne l'état fondamental de l'atome de mercure, c'est à dire son niveau de plus basse énergie.
Données : h = 6,63 10-34 J s ; c = 3,00 108 m/s ; 1 eV = 1,60 10-19 J.

Déterminer la transition énergétique responsable de la raie violette.
E1 --> E0 ;
E2 --> E0 ; E3 --> E0 ; E2 --> E1 ; E4 --> E1 ; aucune réponse exacte.
DE = hc/l = 6,63 10-34*3,00 108 / (254 10-9) =7,83 10-19 J.
7,83 10-19 / (1,60 10-19) =4,89 eV.
Cette différence d'énergie correspond à
E2 --> E0.
Niveaux d'énergie.
L'énergie des niveaux quantifiés de l'atome d'hydrogène est donné par la relation : En = -13,6 / n2 exprimée en eV avec n entier non nul.
E1 = -13,6 eV ; E2 = -3,4 eV ; E3 = -1,5 eV; E4 = -0,85 eV.
h = 6,63 10-34 Js ; c = 3,00 108 m/s ; e = 1,6 10-19 C ; hc/e = 1,24 10-6 SI.
A) "h" est appelée constante de Planck. Vrai.
B) E1 est le niveau fondamental et E2, E3 et E4 sont des niveaux excités de l'atome. Vrai.
C) Lorsque l'atome d'hydrogène passe du niveau d'énergie n = 3 au niveau d'énergie n= 2, il y a émission d'un photon de longueur d'onde l = 653 nm. Vrai.
DE = h c / ll  = hc / DE = hc / (e (3,4-1,5)) = 1,24 10-6 / 1,9 =0,653 10-6 m = 653 nm.
D) La radiation précédente appartient au domaine infrarouge. Faux.
653 nm appartient à [400 nm ; 800 nm], c'est à dire au domaine visible.
E) L'atome d'hydrogène pris dans son état fondamental peut absorber un photon d'énergie 10,6 eV. Faux.
-13,6 +10,6 =-3,0 eV, ce qui ne correspond pas à un niveau d'énergie de l'atome.

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Transferts quantiques d'énergie.
A) Par absorption d'un quantum d'énergie, une molécule peut passer d'un niveau inférieur à un niveau supérieur. Vrai.
Diffraction par une fente de largeur proche de la longueur d'onde de la lumière.
B) Une transition d'énergie dite vibratoire est associée à une radiation infrarouge. Vrai.
q = l /a ~ ½l / D ; l = al /(2D).
C) Un laser émet une lumière polychromatique directive. Faux.
La lumière laser est quasi-monochromatique.
D) Les états excités sont caractérisés par une énergie inférieure à celle de l'état fondamental. Faux.


Spectre d'émission d'une étoile. réponse B,  C,
L'analyse de ce spectre permet de connaître :
A) la température de surface.
B)  la composition chimique de "l'atmosphère" de l'étoile :
les astronomes ont remarqué dès le XVIIIe siècle la présence de fines bandes noires dans la lumière solaire. Il manque des couleurs très précises et spécifiques, comme si elles ne nous étaient pas parvenues. Après quelques tâtonnements, ils ont compris que ces raies sombres trahissaient la présence d'éléments chimiques sur le trajet des rayons lumineux. Joseph von Fraunhofer fut le premier en 1814 à observer ces disparitions de lumière et à les attribuer à un phénomène d'absorption par un gaz situé entre la source d'émission et l'observateur.
 C) sa vitesse de déplacement :
l’observateur mesure la longueur d’onde l0 du signal lumineux émis par une source immobile.
L’observateur mesure la longueur d’onde l’ du signal lumineux émis par la même source s’éloignant à la vitesse v.
On obtient l' >  l0.

D) la valeur du champ de gravitation à la surface.
E) la masse.





Principe du laser.
Le principe du laser réside dans l'émission stimulée des atomes présents dans un gaz, un liquide ou un cristal. Un apport d'énergie fait passer une grande proportion d'atomes dans un état excité Ex. Ces atomes se désexcitent rapidement vers le premier état excité E2 appelé état métastable. Cette étape est appelée inversion de population et elle est réalisée par pompage optique. Considérons un atome quelconque se trouvant dans l'état d'énergie E2. Si une radiation de fréquence n, telle
que hn = E2- El, rencontre cet atome, elle va provoquer sa désexcitation par émission stimulée.
Données : La constante de Planck est h = 6,6x 10-34J.s ; 1 eV= 1,60 x l0-19J ; la célérité de la lumière est c = 3,00 x 108 m.s-1 ;
El =-10,7 eV ; E2=-8,7eV ; 66 x 3 /1,6 ~ 124 ; 1,6 / (66*3) ~8 10-3.

Diagramme d'énergie - Emission stimulée
a) Lors de l'émission stimulée, un photon identique au photon incident est émis par l'atome. Vrai.
b) L'énergie d'un photon émis est Ephoton= 3,20 x l0-19 J. Vrai.
E2- El = -8,7 + 10,7 = 2,0 eV = 2,0 *1,6 10-19 =3,2 10-19 J.
c) Le laser utilisé émet un rayonnement monochromatique de longueur d'onde l =1240 nm. Faux.
l = hc / (E2-E1) =6,6 10-34 * 3,00 108 / (
3,2 10-19) =6,6 *3 / 3,2 10-7 =12,4 / 2 10-7 =6,2 10-7 m = 620 nm.
d) L'énergie d'un laser est concentrée dans un pinceau très étroit. Vrai.





  


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