Modèles ondulatoires et particulaires de la matière
Exercices.
Lumière et matière … Fiche 3
Ondes et Signaux Séquence 3
Exercice 1 : La grande nébuleuse d’Orion.
La grande nébuleuse d’Orion comporte quatre étoiles très chaudes qui émettent un rayonnement riche en ultraviolets au sein d’un nuage de gaz interstellaire constitué en majorité d’atomes d’hydrogène.
Le diagramme ci-contre présente les premiers niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène. Ici, le niveau d’énergie 0 eV est celui pour lequel l’électron devient indépendant du noyau (ionisation). Avec cette origine, les énergies de l’atome sont négatives. Lorsque le noyau et les électrons sont séparés, c’est-à-dire lorsque l’atome est ionisé, les énergies sont positives et elles ne sont pas quantifiés.
1. Pour quelle raison le rayonnement de ces quatre étoiles est-il riche en ultraviolets ?
2. Quelle est l’énergie minimale d’un photon susceptible d’ioniser un atome initialement dans son état fondamental ?
3. Quelle est la longueur d’onde λ de la radiation correspondante ? Dans quel domaine des ondes lumineuses se situe-t-elle ?
4. Un atome d’hydrogène dans l’état fondamental peut-il être excité par une radiation de longueur d’onde λ’ = 110 nm ?
5. Sous l’effet du rayonnement UV reçu, le gaz de la nébuleuse est partiellement ionisé. Les électrons se recombinent avec des noyaux d’hydrogène pour former des atomes excités qui se désexcitent
progressivement avec émission de photons. Quelle est la longueur d’onde de la radiation émise lors de la transition des atomes d’hydrogène du niveau 3 au niveau 2 ?
Exercice 2 : Aurore polaire.
Une aurore polaire (aurore boréale dans l’hémisphère nord et aurore australe dans l’hémisphère sud) est l’apparition soudaine de lumière colorées dans le ciel.
Elles s’observent au niveau des pôles magnétiques Nord et Sud de la Terre.
Des particules de hautes énergies en provenance du Soleil sont piégées par le champ magnétique de la Terre. Elles cèdent de l’énergie aux atomes et molécules de l’atmosphère. Excités, ils restituent cette énergie en émettant de la lumière.
Les couleurs qui apparaissent dépendent des atomes concernés (oxygène, azote etc.).
Expliquer l’origine de la lumière verte des aurores polaires.
Données : célérité de la lumière dans le vide : 3.108 m/s ; constante de Planck : h = 6,62.10-34 J.s ; charge élémentaire : e = 1,6.10-19 C ; masse de l'électron m = 9.10-31 kg.
E (eV)
0 - 0,85 - 1,51 - 3,40
- 13,6
n = 4 n = 3 n = 2
n = 1
Extrait du diagramme d’énergie de l’atome
d’oxygène.
Les domaines d’ondes électromagnétiques.
