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P1 Exercices : La lumière émission absorption Page 1

P1 Exercices : La lumière émission et absorption

Exercice 1 (Juin 2009)

P1 Exercices : La lumière émission absorption Page 2 Exercice 2 (Bac 2009) :

P1 Exercices : La lumière émission absorption Page 3 Exercice 3 (Septembre 2008) :

Par désintégration radioactive on obtient des noyaux de baryum (appelés noyau fils) :

Exercice 4 (Antilles 2007) :

Lors de la désintégration radioactive d’un noyau d’iode 131 on observe la libération d’une énergie E = 0,98 MeV.

Exercice 5 (Métropole 2007) :

P1 Exercices : La lumière émission absorption Page 4

P1 Exercices : La lumière émission absorption Page 5 Exercice 6 (Bac S 2006) :

Découverte historique d’un nouvel élément chimique

Lors de l’éclipse totale du Soleil du 18 août 1868, le français Pierre Janssen et le britannique Norman Lockyer ont analysé le spectre de la couronne solaire et ont remarqué qu’il présentait une raie brillante dans le jaune très proche de celle du sodium. N. Lockyer a émis l’hypothèse que cette raie était due à un nouvel élément qu’il baptisa hélium (du grec hélios qui signifie Soleil). Ce n’est que vingt-sept ans plus tard que cet élément chimique fut identifié sur Terre.

Données :

Célérité de la lumière dans le vide : 8 c = 2,998×10⁸ m.s^-1 Constante de Planck : h = 6,626 × 10^-34 J.s

1 eV = 1,602 × 10^-19 J

Longueur d’onde de la raie D du sodium dans le vide : Na = 589,0 nm.

Longueur d’onde de la raie jaune de l’hélium dans le vide : He = 587,6 nm.

1. Spectre d’énergie

1.1. Illustrer, en s’aidant d’un schéma de niveaux d’énergie d’un atome, le phénomène d’émission d’un photon (quantum d’énergie lumineuse).

1.2. On note E l’énergie du photon émis lors d’une transition énergétique d’un atome.

Donner l’expression littérale de E en fonction de la longueur d’onde de la radiation lumineuse émise dans le vide, de la constante de Planck h et de la célérité de la lumière dans le vide c.

1.3. Raie D du sodium

1.3.1. Calculer la valeur de E en électronvolts, pour le rayonnement correspondant à la raie D du sodium.

1.3.2. Déterminer, en s’aidant de la figure 2 page 7, à quelle transition correspond cette émission.

1.4. L’énergie du photon correspondant à l’émission de la raie jaune de l’hélium (de longueur d’onde

He) est égale à 2,110 eV. En s’aidant de la figure 2 page 7, justifier que cette émission ne peut pas être attribuée au sodium.

Exercice 7 (Bac 2006 Antilles Guyane) :

P1 Exercices : La lumière émission absorption Page 6 Exercice 8 (Bac 2006) :

Exercice 9 (Bac 2005 Antilles Guyane) :

P1 Exercices : La lumière émission absorption Page 7 Exercice 10 (Bac 2005 Antilles Guyane) :

P1 Exercices : La lumière émission absorption Page 8 Correction :

Exercice 1 1. Emission

1.1. (b) l’énergie est quantifiée 1.2. a.

où s’exprime en Joule et en mètre

b. Cette relation peut s’écrire

Calcul de la variation d’énergie en eV puis en Joule :

Application numérique : la longueur d’onde émise lors du passage de l’électron de la couche de d’énergie E⁴ à la couche d’énergie E³ est :

D’après le tableau fourni dans les données cette longueur d’onde correspond à la couleur violet

1.3. Un atome initialement dans le niveau d’énergie E⁴ peut se désexciter de 4 manières (cf graphique) :

 Passage de E⁴ à E^{3 :}

 Passage de E⁴ à E^{2 :}

 Passage de E⁴ à E^{1 :}

 Passage de E⁴ à E^{0 :} (9,5 eV normalement mais on va pas se prendre la tête !)

P1 Exercices : La lumière émission absorption Page 9 Le passage de E⁴ à E⁰ est celui qui libère le plus d’énergie

9,50 eV donc c’est lui qui va émettre la radiation de plus petite longueur d’onde.

Calcul de

132 nm est plus petit que 400 nm donc on est dans le domaine des UV

2. Absorption

2.1. Ajouter 1 eV à l’atome dans son état fondamental E⁰ ne permet pas d’arriver sur un des niveaux d’énergie E¹, E², E³ < etc (cf graphique) donc ce photon ne sera pas absorbé

2.2. Ajouter 4,9 eV à l’atome dans son état fondamental E⁰ permet d’arriver sur le niveau d’énergie E¹ (cf graphique) donc ce photon sera absorbé.

Exercice 2 : ΔE = 0,33 MeV=5,3.10^-14J ; λ=3,8 pm ; rayons γ Exercice 3 : λ=1,88 pm ; rayons γ

Exercice 4 : λ=1,3 pm ; rayons γ

Exercice 5 : 2170 eV ; 19600 eV ; 17430 eV ; plus petite longueur d’onde pour la plus grande variation d’énergie : λ=63 pm

Exercice 6 : E = 2,105 eV ; E⁰ + 2,110 = -3,029 eV

Exercice 7 : le spectre de l’atome est discontinu car les niveaux d’énergie de l’atome sont quantifiés (ou discrets) ; transition possible 2 -> 1 et 2 -> 0 ; λ^{2 -> 1} = 4,28 pm ; λ^{2 -> 0} = 3,76 pm

Exercice 8 : λ= 0,91 pm ; rayons γ

Exercice 9 : 1)spectre discontinu, spectre de raies 2) émission d’un photon lors du passage d’un niveau d’énergie à un autre 3)prisme ou réseau 4)656 nm est dans le rouge 5.1 ) -13,6 eV 5.2)l’énergie d’ionisation est l’énergie nécessaire pour arracher un électron à l’atome donc E^∞ - E⁰ = 13,6 eV 5.3)a)W = hc/λ b) la plus grande longueur d’onde correspond à la plus petite variation d’énergie donc E^3->2 c)W = 1,889 eV bien égal à E^3->2

Exercice 10 : 1) D’après le diagramme il faut fournir 13,6 eV pour ioniser l’atome d’hydrogène Eionisation = E^∞ - E⁰ = 13,6 eV = 13,6 ×1,6.10^-19 = 2,2.10^-18J

2) L’énergie est libérée sous forme de rayonnement : un photon est émis W^photon = E⁵ – E² = 2,9 eV = 4,6×10^-19 J 4) Cas des photons d’énergie inférieure à l’énergie d’ionisation : Un photon ne peut être absorbé par un atome que s’il lui permet de passer dans un état d’énergie, possible, supérieur. Les états d’énergie de l’atome sont quantifiés, ils ont des valeurs précises. L’énergie du photon doit donc correspondre exactement à la différence d’énergie existant entre deux niveaux d’énergie de l’atome (dont celui dans lequel est l’atome au moment où il reçoit le photon), afin qu’il y ait absorption de ce dernier/ L’atome passe dans un état d’énergie excité supérieur à l’état d’énergie précédent.

Cas des photons d’énergie supérieure à l’énergie d’ionisation :

Ils sont tous absorbés. L’atome est ionisé et l’excédent d’énergie est emporté par l’électron sous forme d’énergie cinétique.

5) On obtient un spectre d’émission de raies colorées, les niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène étant quantifiés, il ne peut émettre que certaines radiations chacune étant caractérisée par une longueur d’onde précise.