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(1)

Chapitre 16 :

L’atome et la mécanique

de Newton :

Ouverture au monde

quantique

Classe de TS Physique Partie D-chap16

QUESTIONS A PROPOS DU TEXTE

(2)

1)

Rappelez quelles sont les caractéristiques du

modèle de l’atome de Rutherford ?

Quelle analogie a t-il fait pour décrire ce modèle ?

Pour Rutherford, le modèle de l’atome était analogique analogique

au modèle planétaire : au modèle planétaire :

L’atome possédait un centre, centre,

massique

massique, constitué par le noyau de l’atome, analogue au Soleil ou à la Terre.

Autour de ce centre gravitent _{Autour de ce centre gravitent}

des électrons

des électrons, analogues aux planètes qui tournent autour du soleil ou aux satellites gravitant autour de la Terre.

(3)

2)

Quelles sont les lois en 1/r² qui ont mis Rutherford

sur cette piste de l’analogie ?

(1)(1)

Donnez l’expression de la force pour chacune

d’entre elles, et faites un schéma précis qui montre

deux corps en interaction.

A l’échelle microscopiquel’échelle microscopique,

la cohésion de la matière est régie par l’interaction électrique, elle-même

décrite par la loi de loi de Coulomb

(4)

A l’échelle astronomiquel’échelle astronomique,

la cohésion des systèmes planétaires est régie par

l’interaction gravitationnelle,

elle-même décrite par la loi loi

de Newton : de Newton :

(5)

3) Quelle observation est en contradiction avec

l’application des lois de Newton au niveau

microscopique ? Justifiez votre réponse.

Alors que, si les lois de Newton était applicables,

tous les atomes de même nombre d’électronsatomes de même nombre d’électrons devraient prendre des tailles différentes, tailles différentes,

on remarque l’identité des rayons atomiques pour tous l’identité des rayons atomiques pour tous les atomes d’un même élément.

les atomes d’un même élément.

4) Rappelez en quelques mots en quoi consiste

l’expérience de Franck et Hertz.

Ils ont bombardé les atomes d’un gazbombardé les atomes d’un gaz avec un faisceau faisceau homocinétique d’électrons

homocinétique d’électrons et comparé l’énergiecomparé l’énergie de

(6)

5) Si le modèle de l’atome de Rutherford est

juste, quel(s) résultats(s) l’expérience de

Franck et Hertz doit-elle donner ?

On doit observer une variation de l’énergie interne des l’énergie interne des atomes cibles

atomes cibles, qui prendra alors des valeurs valeurs quelconques

quelconques ;

de la même manière, les électrons projectiles verront une perte quelconque de leur énergie cinétiqueperte quelconque de leur énergie cinétique.

6) Résumez les résultats expérimentaux obtenus et

concluez

(2)(2)

.

_.

Si E_in < 19.8 eV, alors les électrons ressortent avec ressortent avec

la même énergie

la même énergie que celle avec laquelle ils sont entrés (ils ton rebondis en conservant leur énergie cinétique).

(7)

Si 19.8 eV < E_in < 20.6 eV, les électrons transmettent transmettent

une énergie de 19.8 eV aux atomes cibles. une énergie de 19.8 eV aux atomes cibles.

Si 20.6 eV < E_in > 21 eV, les électrons transmettent transmettent

une énergie de 20.6 eV aux atomes cibles. une énergie de 20.6 eV aux atomes cibles.

Cl : Le modèle de l’atome décrit par Rutherford est erroné, la mécanique classique ne peut

interpréter ce phénomène.

7) Quelles hypothèses ont été émises concernant

l’énergie transférée par les électrons projectiles

aux atomes cibles ?

(2)(2)

La température du gaz n’augmentant pas, cette énergie cette énergie

augmente l’énergie interne du système noyau-électrons. augmente l’énergie interne du système noyau-électrons.

(8)

Pour le premier palier (E_in > 19.8 eV), l’atome est passé passé de son état fondamental à un état excité.

de son état fondamental à un état excité.

Cl : L’augmentation de l’énergie de l’atome se fait par palier, on dit que l’énergie de l’atome est l’énergie de l’atome est

quantifiée quantifiée.

8) Que se passe-t-il lorsque l’on augmente trop

E

_in_in

des électrons projectiles pour un type

d’atome cible donné ?

A ce moment là, on atteint l’énergie d’ionisationl’énergie d’ionisation de l’atome, on arrache un électronarrache un électron à celui-ci qui devient alors un ion positif : on ne peut pas multiplier

(9)

9) Que fait un atome après avoir été excité par

collision avec un électron projectile ?

Selon l’état d’excitation atteint, il va se désexciter désexciter en une ou plusieurs étapes

en une ou plusieurs étapes pour revenir à son état fondamental, il va alors émettre un ou plusieurs émettre un ou plusieurs

rayonnement

rayonnement, à l’origine des spectres de raies d’émission.

QUELQUES NOTIONS A CONNAITRE



_{Spectre de raies d’émission et désexcitation}

atomique :

Le spectre de raies d’émissionspectre de raies d’émission observé pour un

atome rend compterend compte directement de la quantification quantification de l’énergie

(10)

Une raie

Une raie du spectre correspond à une désexcitationune désexcitation de l’atome d’un niveau d’énergie à un autre.



_{Quantum d’énergie associé à la désexcitation}

(3)(3)

:

_:

Si un atome se désexcite et passe d’un niveau d’énergie passe d’un niveau d’énergie E

E_i_i à un niveau d’énergie E à un niveau d’énergie E_f_f, il émet une radiation il émet une radiation monochromatique de fréquence ν

monochromatique de fréquence ν qui vérifie :

  h c h E E E  _f  _i    

ΔE : quantum d’énergie correspondant à la désexcitation (J) E_i: énergie du niveau excité de départ (J)

E_f : énergie du niveau excité ou fondamental d’arrivée (J)

h : constante de Planck = 6.62*10-34_J.s ν : fréquence de la radiation émise (Hz)

λ : longueur d’onde de la radiation (m)

(11)

En 1905, EinsteinEinstein postule que ces quanta d’énergiequanta d’énergie sont portés par des particules de masse nulle, non chargées particules de masse nulle, non chargées

se propageant à la vitesse de la lumière se propageant à la vitesse de la lumière

c = 3,0108m.s-1 dans le vide ; ces particules sont

appelées « photon photon ».

Rq : Les différents niveaux d’énergie d’un atome sont plutôt donnés en eV qu’en joules

plutôt donnés en eV qu’en joules, il convient donc de

savoir effectuer des conversionsconversions entre ces deux unités

d’énergie :

1 eV = 1.6×10-19 J

Rq : Passage d’un état excité à un

autre par absorption d’un photon :

(12)



_{Généralisation :}

La notion de niveaux d’énergienotion de niveaux d’énergie s’applique à tout système microscopique : noyau, atomes, moléculesnoyau, atomes, molécules.

La relation E = hν concerne toute transition associée à un rayonnement électromagnétique.

Niveaux d’énergie électroniques :

Un atomeatome possède de l’énergieénergie du fait de l’interaction l’interaction des électrons entre eux et avec le noyau

des électrons entre eux et avec le noyau. Cette énergie d’interaction et l’énergie cinétique des électrons

constituent l’énergie électronique de l’atome. qq eV < E < qq keV

(13)

Niveaux d’énergie nucléaire :

 Le noyaunoyau possède de l’énergieénergie du fait de

l’interaction entre les nucléons (interaction forteinteraction forte).

 Lors d’une désintégration, le noyau fils naît dans un

état excité noté Y* état excité noté Y*.

 Il retourne ultérieurement dans un état stable Y en en

émettant un rayonnement

émettant un rayonnement .

 Cette émission correspond à un changement de niveau changement de niveau

d’énergie du noyau atomique d’énergie du noyau atomique.

 Le rayonnement  présente un spectre de raies :

l’énergie du noyau est quantifiée. l’énergie du noyau est quantifiée.

(14)

APPLICATIONS

Voici le spectre de raies d’émission de l’héliumspectre de raies d’émission de l’hélium :

B J R

On remarque que celui-ci est composé de trois raies trois raies

intenses intenses :

Une raie bleue (B) de longueur d’onde 502 nm, une raie jaune (J) à 588 nm,

(15)

1) Retrouvez à partir de ces trois raies, la valeur du

quantum d’énergie auxquelles elles correspondent,

et remplissez le tableau ci-dessous

(4)(4)

et

_et

(5)(5)

:

_:

On utilise la formule pour trouver ΔE, puis on convertit ensuite l’énergie obtenue en eV.