IMRT1 2009-2010
Exercices :la structure électronique de l’atome
1. Organisation de l’atome
QCM annales 2006 DTS IMRT
Expliquer ( en justifiant ) si les affirmations suivantes sont vraies ou fausses.
A partir de l’écriture suivante 13153I, on peut déduire que : a- Le nombre de nucléons est 131
b- La masse d’un atome de cet isotope de l’iode est environ 53 u c- Il y a 53 électrons dans cet ion
d- Il y a 131 neutrons dans ce noyau.
Unité de masse atomique
Exercice 1
Le potassium naturel ( numéro atomique 19 ) contient trois isotopes :
Isotopes Masse atomique ( u ) Abondance ( % )
Potassium 39 38,964 93,258
Potassium 40 39,964 0,012
Potassium 41 40,962 6,730
Combien d’atomes contient une mole d’atomes de potassium ?
En déduire le nombre d’atomes de chaque isotope du potassium dans une mole d’atomes de potassium
Calculer alors la masse molaire atomique (masse d’une mole d’atomes) de l’élément potassium en g.mol-1.
On donne NA 6, 023.1023mol1. Exercice 2
Calculer en u puis en kg la masse d’un atome d’uranium 238 de symbole 23892U
On supposera qu’elle est égale à la somme des masses de ses constituants ( on néglige alors le défaut de masse du noyau…qu’on reverra dans le chapitre « Noyau »)
( On donne : masse d’un neutron : 1,0087 u ; masse d’un proton : 1,0073 u ; masse d’un électron : 5,4858 . 10-4 u )
2. Les ondes
Exercice 1
Lors d’un orage, le bruit du tonnerre est perçu 6 s après l’éclair .
Evaluer la distance qui sépare l’orage de l’observateur ( la célérité des ondes sonores dans l’air est de 1200 km/h )
Exercice 2
Une corde, de longueur 30 m, est attachée à un arbre. On perçoit un signal réfléchi 3 s après avoir frappé l’autre extrémité avec un bâton.
a- l’onde est-elle transversale ou longitudinale ? b- Quelle est sa célérité ?
Exos 2009-10 : IMRT1 – Structure électronique de l’atome PAGE 1 sur 4
Exercice 3
On laisse tomber goutte à goutte de l’eau en un point S d’une nappe d’eau à raison de 90 gouttes par minute.
Il apparaît des rides circulaires séparées chacune de 35 cm a- l’onde est-elle transversale ou longitudinale ?
b- Quel type de milieu est l’eau ? Pourquoi ? c- Quelle est la célérité de l’onde ? Sa fréquence ?
Exercice 4
Une onde progressive sinusoïdale de fréquence 15 Hz se propage à partir d’un point S de la surface de l’eau contenue dans une cuve. Un point M , situé à 5,2 cm du point S, vibre en opposition de phase avec le point S.
a- Quelles sont les valeurs possibles pour la célérité si elle est comprise entre 20 cm/s et 30 cm/s ?
b- Combien trouve-t-on, entre S et M, de points vibrant en phase avec M ?
Exercice 5
A partir du tableau des domaines de longueurs d’onde, placer les axes des fréquences et des longueurs d’onde sur un même diagramme ( laisser au dessus la place pour la correspondance en électronVolts )
Compléter le diagramme des différents domaines de longueur d’onde en faisant apparaître les eV, keV, MeV et GeV
Exercice 6 : d’après le QCM annales 2002 DTS IMRT
Expliquer ( en justifiant ) si les affirmations suivantes sont vraies ou fausses.
Soit un photon de longueur d’onde dans le vide 5 nm.
a- Sa fréquence vaut 6.1017Hz b- Son énergie vaut 248 eV
c- Il appartient au domaine des rayonnements infra-rouges .
3. Structure électronique de l’atome – classification périodique
Exercice 1 :
Compléter le tableau des couches et sous-couches
Exercice 2 : d’après les annales 2006 DTS IMRT
Expliquer ( en justifiant ) si les affirmations suivantes sont vraies ou fausses.
Les états d’énergie d’un électron sont définis par quatre nombre quantiques. On peut affirmer que :
a- Le nombre quantique magnétique m varie par valeurs entières de –n à +n b- Le nombre quantique secondaire l varie par valeurs entières de 0 à n-1 c- Deux électrons appariés ont leur quatre nombres quantiques identiques d- Le nombre quantique de spin est égal à 1
Exos 2009-10 : IMRT1 – Structure électronique de l’atome PAGE 2 sur 4
Exercice 3 : d’après le QCM annales 2002 DTS IMRT
Les énergies des niveaux de l’atome d’hydrogène sont donnés par la relation
2
13,6 En
n ( où Enest exprimée en eV et n est le nombre quantique principal ).
Expliquer ( en justifiant ) si les affirmations suivantes sont vraies ou fausses.
a- Au niveau n= 2 , l’énergie de l’atome vaut -1,51 eV
b- Un photon d’énergie 15 eV ne peut pas provoquer l’ionisation de l’atome d’hydrogène c- Un photon de longueur d’onde 121,7 nm provoque l’ionisation de l’atome d’hydrogène d- Lorsque l’électron de l’atome d’hydrogène, excité au niveau n= 2, retombe à l’état
fondamental, la longueur d’onde de la radiation émise vaut 121,7 nm.
Exercice 4 : d’après le QCM annales 2002 DTS IMRT
On connaît le diagramme d’énergie simplifié du tungstène.
Expliquer ( en justifiant ) si les affirmations suivantes sont vraies ou fausses.
a- Dans son état fondamental, l’atome de tungstène a une énergie nulle
b- Les photons de fluorescence de la raie L du tungstène ont une énergie de 9,0 keV
( préciser le domaine correspondant )
c- Les photons de fluorescence de la raie K du tungstène ont une longueur d’onde égale à 18 pm ( préciser le domaine correspondant )
Exercice 5 : d’après les annales 2000 DTS IMRT
1°) Donner la configuration électronique de plus basse énergie des atomes suivants :
11Na , 27Co, 15P.
2°) a -A quelle valeur du nombre quantique principal correspondent les couches K, L , M et N ?
b- Quel est le nombre maximum d’électrons sur chacune de ces couches ?
c- Pour chacun des atomes précédents, indiquer combien il y a d’électrons sur chacune de ces couches.
3°) a -A quelle valeur du nombre quantique secondaire correspondent les sous-couches s, p , d et f ?
b- Quel est le nombre maximum d’électrons sur chacune de ces sous-couches ?
Exercice 6 : d’après les annales 1990 DTS IMRT
1°) Construire ( échelle : 1 cm pour 1 eV ) le diagramme des niveaux d’énergie ( jusqu’à la couche N ) de l’atome d’hydrogène, sachant que l’énergie d’un niveau n est donnée par la relation : ( ) 13,62
n en eV
E n
2°) Définir et déterminer l’énergie d’ionisation d’un atome d’hydrogène pris dans son état le plus stable ( état fondamental ).
3°) On souhaite déterminer le spectre d’émission d’une lampe à vapeur d’hydrogène.
Exos 2009-10 : IMRT1 – Structure électronique de l’atome PAGE 3 sur 4 E ( en keV )
M L
K 0
-2,3 -11,3
-70
a- Montrer que la relation entre l’énergie E ( en électron Volts ) d’un photon et sa longueur d’onde ( en nm ) est donnée par la relation ( )
( )
1241
en nm
en eV
E ( rappel : constante de Planck h6,62.1034J s. )
b- Faire apparaître sur le diagramme d’énergie les transitions possibles pour l’électron de l’atome d’hydrogène, en indiquant le nom de la raie d’émissions correspondante.
c- En utilisant ce que vous avez démontré auparavant, remplir le tableau suivant, qui récapitule la spectre d’émission de l’atome d’hydrogène ( en se limitant au 4 premières couches ).
Transition de l’électron
Nom de la raie
Energie émise ( en eV)
Longueur d’onde du photon ( en nm )
Domaine du rayonnement ( préciser la couleur si la longueur d’onde est dans le domaine visible )
Exercice 7 : lampe à vapeur de sodium
(d’après Annales IMRT 1998 ) On étudie le spectre d’émission d’une lampe à vapeur de sodium ( symbole Na ; Z = 11 ).1°) a- Déterminer la structure électronique de l’atome de sodium dans son état fondamental
b- A quelle famille chimique appartient le sodium ? Où est située cette famille ? c- A quelle période de la classification appartient-il ? Pourquoi ?
2°) Le spectre d’émission d’une lampe à vapeur de sodium fait apparaître des raies aux longueurs d’onde : 1568,8nm 2 589,3nm 3615, 4nm 4 819,5nm.
Son diagramme d’énergie comporte les niveaux suivants :
Etat fondamental : -5,14 eV
Premier état excité : -3,03 eV
Deuxième état excité : -1,93 eV
Troisième état excité : -1,51 eV
Quatrième état excité : -1,18 eV
a- Représenter le diagramme d’énergie de l’atome de sodium ( échelle : 2 cm pour 1 eV) ; faire apparaître les noms des couches et les valeurs de n ( nombre quantique principal ) ; placer les électrons sur les couches dans leur niveau fondamental.
b- Quelle est la longueur d’onde maximale nécessaire pour provoquer l’ionisation de l’atome de sodium par arrachage de l’électron de sa couche externe ? A quel domaine du spectre des ondes électromagnétiques doit donc appartenir le rayonnement ?
c- Pour les raies de longueurs d’onde 2 589,3nm et 4 819,5nm, déterminer ( en eV ) l’énergie des photons émis
En déduire entre quels niveaux d’énergie s’effectuent les transitions des électrons responsables de l’émission de ces deux raies ; représenter ces transitions sur le diagramme d’énergie et donner le nom de ces raies.
Exos 2009-10 : IMRT1 – Structure électronique de l’atome PAGE 4 sur 4
