Aurélie novembre 04

Niveaux d'énergie, physique atomique

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 niveau d'énergie

Supposons qu’une planète rayonne de la lumière ultraviolette aux travers d’une atmosphère gazeuse comportant une majorité d’atome d’hydrogène. Les longueurs d’onde du rayonnement sont inférieures à 91,2 nm.

Données : Constante de Plank h = 6, 62×10-34 J.s. Célérité des ondes électromagnétiques c = 3×105 km.s-1.

Charge élémentaire e = 1, 6 × 10-19 C.

  1. Donner la signification du niveau d’énergie E = 0 eV
  2. Quel est le niveau d’énergie d’un atome d’hydrogène pris dans son état fondamental lorsqu’il subit une radiation de 91, 2 nm ? Exprimer l’énergie en Joule et en eV .
  3. Expliquer ce qui se passe lorsqu’un atome d’hydrogène reçoit une radiation de longueur d’onde inférieure à 110 nm.
  4. Quelle est la longueur d’onde émise lorsqu’un atome d’hydrogène passe de l’état excité n = 3 à l’état n = 2.


corrigé
E = 0 correspond à l’état d’excitation maximale ou encore à l'atome ionisé ( perte de son électron)

énergie reçue par l'atome : E = hc / l = 6,62 10-34* 3 108 / 91,2 10-9= 2,18 10-18 J

2,18 10-18 / 1,6 10-19 = 13,6 eV

énergie initiale de l'atome pris dans son état fondamental : -13,6 eV

énergie totale de l'atome : 0 eV, après avoir reçu le photon.

un atome d’hydrogène reçoit une radiation de longueur d’onde inférieure à 110 nm

énergie de la radiation : hc / l = 6,62 10-34* 3 108 / 110 10-9= 1,8 10-18 J

1,8 10-18 / 1,6 10-19 = 11,3 eV

l'atome se trouve alors dans l'un de ces état excités si le photon est absorbé ( l'énergie du photon doit être égale à la différence d'énergie entre deux niveaux de l'atome)

si la longueur d'onde est inférieure à 91,2 nm, l'atome est ionisé.

Variation d’´energie : E=13,6 ( 1/4-1/9)= 1,89 eV soit 1,89*1,6 10-19= 3,024 10-19 J.

La longueur de l’onde émise est donc : l = hc/E

l = 6,62 10-34* 3 108 /3,024 10-19 = 657 10-9 m.





physique atomique : au choix

La notion de particules élémentaires est très ancienne ( Démocrite 460 - 370). L'atome est l'ultime élément de la division de la matière.

La théorie moderne : ( 1970)

La matière est représentée comme un assemblage de "briques" ( les 12 fermions), liées entre elles par les médiateurs de force ( les 14 bosons). Notre monde ordinaire, fait d'atomes, n'emploie qu'une partie de ce bestiaire : deux quarks ( up et down), qui s'assemblent par trois en un noyau. Ce noyau est environné de leptons- les électrons- pour former l'atome. Huit gluons collent les quarks entre eux, tandis que les photons lient les électrons au noyau par la force électromagnétique.

Viennent ensuite les neutrinos électroniques n qui eux, interviennet dans les désintégrations radioactives, ainsi que les bosonsW-, W+ et Z0. Restent deux particules jamais encore observées, mais prédites par la théorie : le graviton, qui transmet la gravité, et le boson de Higgs, qui donne sa masse à toute particule. Selon le modèle standart, ce sont donc 18 particules qui rendent compte de notre matière classique.

Mais si les quarks up et down, l'électron et le neutrino électronique, constituent notre "famille" de particules matèrielles ( matière stable), l'expérience prouve qu'il existe deux autres familles de particules. Instables, elles se désintègrent rapidement dans l'univers mais on peut les produire au laboratoire. Le bestiaire affiche donc 26 particules. Et ce n'est pas tout : à tous les fermions sont associés des anti-particules ( anti-quarks, anti-électrons, anti-neutrinos...) qui constituent l'antimatière ( elle aussi stable) ce qui multiplie leur nombre par deux. Au final, ce sont donc 38 particules élémentaires différentes que l'on peut aujourd'hui dénombrer.

Particules de matière : les fermions .
matière stable
quark up
quark down
électron
neutrino de l'électron
u
d
e-
ne
charge + 2/3 e
charge -1/3e
charge -e
charge 0
matière instable
quark charme
quark strange
muon
neutrino muonique
c
a
m
nm
charge + 2/3 e
charge -1/3e
charge -e
charge 0
quark top
quark bottom
tau
neutrino du tau
t
b
t
nt
charge + 2/3 e
charge -1/3e
charge -e
charge 0
Particules médiatrices de forces : les bosons
8 gluons
photon
bosons
gravitons
bosons de Higgs
g
g
W-, W+, Z0

H
charge 0
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  1. Comment se nomment les particules constituant la matière ?
  2. Le proton est-il une particule élémentaire ?
  3. Quelle est en fonction de la charge élémentaire, la charge d'un quark ?
  4. De quel(s) quark(s) peut être constitué un proton ?
  5. De quel(s) quark(s) peut être constitué un neutron ?
  6. La transformation d'un proton en neutron dans le noyau est une désintégration radioactive b+ :
    11 p +-->10 n + 01 e. Cette équation est-elle complète ?
  7. Comment peut-on expliquer que deux quark up puissent coexister ensemble ?
  8. "ce sont donc 18 particules qui rendent compte de notre matière classique". Lesquelles ?
  9. L'antimatière est-elle de la science fiction ? Justifier.
  10. Les accélérateurs de particules du CERN sont-ils capables de détecter le passage d'un quark ? Justifier.

corrigé
Les particules constituant la matière : douze fermions liés par 14 bosons d'après le texte.

Le proton n'est pas une particule élémentaire : le protons est constitué de 3 Quarks, collés par les Gluons.

Charge d'un quark up : 2/3e ; down :-1/3 e

Un proton est constitué de 2 Quarks up 1 Quark down : la charge totale du proton est + e.

Un neutron est constitué de 1 Quark up 2 Quarks down : la charge totale du neutron est nulle

11 p +-->10 n + 01 e + 1 antineutrino

"les neutrinos électroniques n qui eux, interviennet dans les désintégrations radioactives"

Deux quark up coexistent : l'interaction forte maintient les quarks entre eux ; le gluon est le médiateur de l'interaction forte.

"ce sont donc 18 particules qui rendent compte de notre matière classique" :

Quarks up et down, électron, neutrino de l'électron, Huit gluons, photon, 3 Bosons, graviton et boson de Higgs.

L'antimatière n'est pas de la science fiction :

"l'expérience prouve qu'il existe deux autres familles de particules"

l'antimatière est le miroir de la matière ; l'antimatière est stable.

Les accélérateurs de particules du CERN sont capables de détecter le passage d'un quark : les quarks ont une charge et une masse et constituent la matière stable.



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