Aurélie 27/11/12
 

 

QCM , rayonx X, ondes électromagnétiques, optique, thermodynamique : Concours Paces 2011.

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On étudie l'atténuation d'un faisceau de photons par un écran en plomb d'épaisseur égale à 5 fois la couche de demi-atténuation ( CDA). Cet écran :
A. absorbe 80 % des photons ;
B. laisse passer un photon sur 5.
C. laisse passer un photon sur 25.
D. absorbe 25 % des photons.
E. laisse passer un photon sur 32. Vrai.
I / I0 = exp (-µCDA) = 0,5 ;
µCDA = ln 2 ;
I / I0 = exp (-5µCDA) =exp (-5 ln 2) = exp(ln2-5) =2-5 = 1/25 = 1/32.

Le coefficient d'atténuation massique d'un matériau homogène est de 0,05 cm2 g-1. On utilise ce matériau comme écran pour se protéger d'un rayonnement gamma connu. Quelle épaisseur ( en cm) de ce matériau doit-on utiliser pour réaliser un blindage qui absorbe 90 photons sur 100 ? rmatériau = 11300 kg m-3 ( 11,3 g cm-3).
A. 0,18 ; B. 7,96 ; C. 4,08
Vrai ; D. 4,0 10-3 ; aucune de ces valeurs.
µ = 0,05 *11,3 =0,565 cm-1.
I/I0 = 0,10 = exp(-µx) ; ln 0,10 = -µx ; x = ln0,10 / µ = -ln 0,10 / 0,565 ~ 4,08 cm.


Rayons X.
A. Le spectre observé de rayonnement X émis par un tube possède une partie continue et également une partie discrète.
Vrai.

B. Le spectre de raies est caractéristique de la nature de l'anode. Vrai.
C. Le spectre continu correspond aux photons X de fluorescence et le spectre de raies au rayonnement de freinage.
Le spectre de raies ( les pics) est du à l'émission de photons par le métal de la cible, l'anode.
Le spectre continu  ( rayonnement de freinage ) est du au freinage des électrons par l'anode. Il fournit les rayons X utilisables en radiologie.
D. Dans l'expression du rendement r d'émission : r = KZU, la constante K n'a pas d'unité.
Le rendement et le numéro atomique Z n'ont pas d'unité ; U s'exprime en volt ; K s'exprime en V-1.
E. Lorsque l'intensité électronique i du tube à rayons X augmente il y a deux conséquences : le flux de photons X augmente et le faisceau X se durçit.
La haute tension détermine l'énergie de chaque photon X.
L'intensité qui traverse le tube modifie la quantité de rayons X sans en modifier la qualité.

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Lors de l'effet photoélectrique :
A. Le photon incident transfert toute son énergie à l'électron. Vrai.
B. Le photon incident transfert une partie de son énergie à l'électron.
Une absorption partielle est caractérisée par la diffusion Compton.
C. l'interaction a lieu entre un électron incident et l'électron lié à l'atome cible.
D. l'interaction a lieu entre un photon incident et l'électron lié. Vrai.
E. La probabilité d'atténuation est représentée par t/r = KZ3 E3(il faudrait écrire
KZ3 / E3 ) .

Ondes électromagnétiques.
A. La longueur d'onde correspond à sa période temporelle. ( période spatiale).
B. la longueur d'onde est l'inserse de sa fréquence. ( longueur d'onde = célérité fois période temporelle = célérité / fréquence ).
C. La fréquence diminue lorsque l'onde passe du vide vers un milieu matériel. ( la fréquence est une constante indépendante du milieu).
D. La fréquence augmente lorsque l'onde passe du vide vers un milieu matériel.
E. Le champ électrique et le champ magnétique d'une onde électromagnétique vibrent en phase, à la même fréquence, sont perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde. Vrai.

Optique physique et géométrique.
La tache d'Airy correspond à un phénomène de diffraction et est composée d'un disque central sombre entouré de cercles concentriques alternativement clairs et sombres.


B. Les interférences ont été utilisées pour démontrer la nature ondulatoire de la lumière. Vrai.
C. Le foyer image d'un dioptre sphérique divergent est toujours réel.

F ' est situé sur le prolongement de rayons lumineux, il est donc virtuel.
D. Pour une lentille sphérique mince, les distances focales objet et image sont de signe opposé et ont une valeur absolue qui dépend de chacun des dioptres. Vrai. ( 1/f' = (n-1) (1/R1-1/R2)).
E. La vergence d'un dioptre sphérique convergent est positive.
Vrai.

Bases physiques des lasers médicaux. Spectrométrie optiques.
A. L'émission stimulée correspond à une émission de photons de longueur d'onde identique ( spectre monochromatique ), tous en phase.
Vrai. ( il vaudrait mieux dire de même fréquence et de même phase).
B. Tout photon, d'énergie supérieure ou égale à l'énergie de transition (  d'un électron d'une couche électronique à une autre ) permet l'obtention d'une émission stimulée.
C. On parle de pompage optique, lorsque l'énergie absorbée par le milieu actif provient de photons lumineux.
Le pompage permet d’amener une majorité de particules à un état excité ( niveau métastable) : c’est l’inversion de population favorable à l’émission stimulée.
D. En spectrométrie, selon la loi de Kirchhof, les fréquences d'absorption sont les mêmes que celles d'émission.
Vrai.
E. En spectrométrie, le spectre des radiations électromagnétiques émises ou absorbées par les atomes sont des spectres continus, car les transitions correspondantes sont quantifiées. ( spectres de raies discontinus ).

Magnétisme de la matière.
On considère les mouvements de rotation d'un électron :
A. Son moment cinétique orbital correspond au mouvement de rotation sur elle même de la particule autour d'un de ses axes.
Le moment cinétique orbital correspond à la rotation d'une particule autour d'un noyau ; moment cinétique intrinsèque,  la rotation d'une particule élémentaire sur elle-même.
B. le mouvement de rotation sur elle même de la particule autour de l'un de ses axes induit l'apparition d'un moment magnétique de spin qui lui est proportionnel. Vrai.
µS : moment magnétique de spin ; S : spin ; g : facteur de Landé.
C. Le rapport gyromagnétique de l'électron est une constante de proportionnalité entre moments cinétique orbital et magnétique orbital dont la valeur dépend de la masse et de la charge. Vrai.
Au moment cinétique orbital d'une particule de charge q (positive ou négative) et de masse m est associé un moment magnétique orbital :
; µL : moment magnétique orbital ; L : moment cinétique orbital ; q/(2m) : rapport gyromagnétique.
D. Le moment magnétique orbital de l'électron est proportionnel à son moment magnétique de spin.
E. Dans le cas de l'électron, les vecteurs moments cinétique orbital et moment magnétique orbital sont parallèles.
Vrai.
Le spin de l'électron ne peut avoir que deux positions par rapport au moment orbital.





Radiofréquences, résonance magnétique nucléaire.
Il est possible de réaliser une expérience de RMN avec les noyaux suivants dont on donne le nombre de masse A et le numéro atomique Z.
A. 1H( A=1 ; Z=1 ).
Vrai.
B.
12C( A=12 ; Z=6 ).
Les noyaux composés d'un nombre pair de protons et de neutrons ont un spin nul. La RMN est une propriété des noyaux de spin non nul.
C.14N( A=14 ; Z=7 ). Vrai.
D.23Na( A=23 ; Z=11 ). Vrai.
E.31P( A=31 ; Z=15 ). Vrai.

Dimensions et unités :
A. L'unité SI de température est le degré Celsius(°C). ( C'est le kelvin K).
B. La dimension de l'entropie est M L2 T2 q-2. ( J mol-1 K-1 ou M L2 T-2
mol-1 K-1).
C. La dimension de la force électrique est M LT-2.
Vrai. ( masse fois une accélération )
D. La dimension de la densité surfacique de charge est L-3 T I. ( coulomb par m2 ou I T L-2 ).
E. La mobilité électrophorétique s'exprime ne m2 V-1 s-1 dans le système SI.
Vrai.

Grandeurs thermodynamiques.
Quels sont parmi les couples suivants, ceux dont les deux grandeurs sont intensives ? ( P : pression, V : volume, T : température, m : masse , r : masse volumique).
A. (P, V) ; B. (P, T)
Vrai ; C. (V, m) ; D. (V, r) ; E. ( T, r) Vrai.

Transformations en thermodynamique.
A. Une transformation isochore est réalisée à volume constant.
Vrai.
B. Une transformation isobare est réalisée à pression constante.
Vrai.
C. La température d'un gaz parfait augmente lorsqu'il est comprimé adiabatiquement.
Vrai.
D. L'énergie passe spontanément d'un système froid à un système chaud lors d'un transfert thermique.
E. L'entropie d'un système isolé ne peut qu'augmenter lors d'une transformation irréversible.
Vrai.

Gaz parfait monoatomique.
A. L'énergie interne molaire est 3 / 2 RT.
Vrai.
B. L'énergie cinétique moyenne des molécules est 3/2 kBT.
Vrai.
C. La variation d'énergie interne molaire est Cpm DT. (
Cvm DT ).
D. La capacité calorifique molaire à volume constant est CVm = 5/2 R. ( 3/2 R pour un gaz parfait monoatomique ).
E. La capacité calorifique molaire à pression constant est CPm = 3/2 R. ( 5/2 R pour un gaz parfait monoatomique ).

Diagramme des phases d'un corps pur.

A. La courbe 1 est la courbe de sublimation. ( la sublimation est la courbe 3 )
B. Sur la courbe 3, les phases solide et gaz coexistent.
Vrai.
C. A température et pression supérieures à celles du point B, il n'est pas possible d'observer le changement de phase liquide - gaz.
Vrai.
D. Dans la région III, l'état le plus stable du corps pur est l'état solide.

E. Au point A les trois phases du corps pur coexistent. Vrai.

Mélange de gaz parfaits.
Deux récipients (1) et (2) de volumes V1 = 100 L et V2 = 50 L peuvent communiquer entre eux par un robinet. Le récipient (1) contient du diazote à la pression P1 = 1,5 bar et à la température T = 300 K. Le récipient (2) contient du dioxygène à la pression P  = 2,0 bar et à la même température.
On ouvre le robinet. Les deux gaz considérés comme parfaits diffusent l'un dans l'autre.
 A l'équilibre on obteint un mélange dont la température est 300 K.
A. La pression du mélange est donnée par P = (P1V1 + P2V2 ) / (V1+V2).
Vrai.
n1 = P1V1 / (RT) ; n2 = P2V2 / (RT) ; P(V1+V2 )= (n1+n2)RT.
B. P = 1,7 bar.
Vrai. P = (1,5*100 + 2*50 ) / 150 =250/150 =1,7 bar.
C. P = 1,9 bar.
D. La fraction molaire du diazote est 0,4.
x=n1 / (n1+n2) =
P1V1 /P(V1+V2 ) = 1,5*100 / (1,7*150) =0,60.
E. La pression partielle du diazote est 1 bar. Vrai.
x P = 0,60 *1,7 = 1,0 bar.




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