Lumière, photons : exercices de sciences physiques en terminale – PDF gratuit à télécharger et imprimer

1. Donne la relation entre l’énergie d’un photon, sa fréquence et sa longueur d’onde.
2. Définis l’électronvolt et donne sa valeur en joules.
3. Que signifie « l’énergie d’un atome est quantifiée » ?
4. Énonce la condition pour qu’un atome absorbe un photon.

Justifie chaque réponse.

a. L’énergie d’un photon est proportionnelle à sa longueur d’onde.
b. Un photon bleu est plus énergétique qu’un photon rouge.
c. En augmentant l’intensité d’une lumière trop peu énergétique, on finit par arracher des électrons à un métal.
d. Le photon émis par émission stimulée est identique au photon incident.
e. 1 eV est égal à 1,60 × 10⁻¹⁹ J.
f. Un atome dans son état fondamental peut absorber un photon d’énergie quelconque.

1. Convertis en joules : 2,5 eV ; 13,6 eV.
2. Convertis en électronvolts : 3,2 × 10⁻¹⁹ J ; 4,8 × 10⁻¹⁹ J.
3. Dans quelle unité est-il le plus pratique d’exprimer l’énergie d’un photon visible ? Pourquoi ?

Calcule en joules puis en électronvolts l’énergie d’un photon de longueur d’onde 400 nm, 550 nm et 700 nm. Classe les trois photons par énergie croissante et associe-leur une couleur.

Un pointeur laser émet une lumière de longueur d’onde 650 nm avec une puissance lumineuse de 5,0 mW.

1. Calcule l’énergie d’un photon émis.
2. Déduis le nombre de photons émis par seconde.
3. Calcule l’énergie lumineuse émise en 10 s.

Les niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène sont donnés par E_n = −13,6 ÷ n² (en eV).

1. Calcule E₁, E₂, E₃ et E₄.
2. Quelle est l’énergie d’ionisation d’un atome d’hydrogène dans son état fondamental ?
3. Calcule l’énergie et la longueur d’onde du photon émis lors de la transition de n = 4 à n = 2.
4. Quelle est la couleur de ce photon ? Peut-il être absorbé par un atome d’hydrogène dans l’état n = 2 ? Justifie.

Les niveaux d’énergie d’un atome fictif sont représentés ci-dessous. Quatre transitions d’émission a, b, c et d sont indiquées.

1. Identifie le niveau fondamental et donne l’énergie d’ionisation.
2. Pour chaque transition, calcule l’énergie du photon émis et sa longueur d’onde.
3. Quelles transitions émettent de la lumière visible ? du rayonnement ultraviolet ? infrarouge ?
4. Calcule la longueur d’onde maximale d’un photon capable d’ioniser l’atome à partir du niveau fondamental.

L’atome fictif de l’exercice 7 est dans son état fondamental. On l’éclaire successivement par des photons d’énergie 2,0 eV ; 3,5 eV ; 4,0 eV ; 5,5 eV ; 9,0 eV.

1. Pour chaque photon, dis s’il peut être absorbé et dans quel niveau l’atome passe alors.
2. Que se passe-t-il avec le photon de 9,0 eV ? Calcule l’énergie cinétique de l’électron libéré.
3. Comment l’atome se désexcite-t-il ensuite après avoir absorbé le photon de 5,5 eV ?

Travail d’extraction : césium 1,9 eV ; potassium 2,3 eV ; zinc 4,3 eV. On éclaire chacun par une lumière de longueur d’onde 400 nm (photon de 3,11 eV).

1. Pour chaque métal, dis s’il y a émission d’électrons et calcule E_c,max en eV quand elle a lieu.
2. Calcule la longueur d’onde seuil de chaque métal.
3. Quel métal faudrait-il choisir pour une cellule sensible à la lumière visible ? Justifie.

On mesure l’énergie cinétique maximale E_c,max des électrons émis par un métal en fonction de la fréquence ν de la lumière incidente.

1. Quelle est la fréquence seuil ν₀ de ce métal ?
2. Écris la relation théorique entre E_c,max et ν. Que représente le coefficient directeur ?
3. Calcule ce coefficient directeur en eV·s puis en J·s.
4. Compare à la constante de Planck et déduis le travail d’extraction W₀ du métal en eV.

Une cellule photoélectrique éclairée par une lumière de longueur d’onde 400 nm délivre un courant I qui dépend de la puissance lumineuse reçue P.

1. Quelle est la nature de la courbe ? Interprète-la avec le modèle des photons.
2. Pour P = 2,0 mW, calcule le nombre de photons reçus par seconde.
3. Lis I pour P = 2,0 mW et calcule le nombre d’électrons collectés par seconde (e = 1,60 × 10⁻¹⁹ C).
4. Calcule le rendement quantique, c’est-à-dire le rapport du nombre d’électrons émis au nombre de photons reçus.

Un laser vert de longueur d’onde 532 nm a une puissance de 1,0 mW.

1. Calcule l’énergie d’un photon en joules et en eV.
2. Calcule le nombre de photons émis par seconde.
3. Un laser rouge de même puissance émet-il plus ou moins de photons par seconde ? Justifie sans calcul.

Les trois schémas A, B et C représentent chacun une interaction entre un photon et un atome à deux niveaux.

1. Nomme le processus de chaque schéma.
2. Dans A, compare le photon incident et les photons émis (énergie, direction, phase).
3. Dans quel processus l’énergie du photon incident doit-elle être égale à E₂ − E₁ ?
4. Lequel de ces processus est à l’origine du fonctionnement d’un laser ? Quelle condition faut-il réaliser sur les populations des niveaux ?

Une DEL bleue émet à 450 nm et une DEL rouge à 630 nm. On admet que l’énergie d’un photon émis est voisine de l’énergie e × U_s acquise par un électron sous la tension de seuil U_s.

1. Calcule l’énergie d’un photon de chaque DEL, en eV.
2. Déduis une estimation de la tension de seuil U_s de chaque DEL.
3. Quelle DEL nécessite la tension la plus élevée ? Pourquoi une DEL bleue n’a-t-elle pas pu être réalisée avec les mêmes matériaux que la DEL rouge ?

Une cellule en silicium ne convertit un photon que si son énergie est au moins égale à l’écart d’énergie du silicium, 1,12 eV.

1. Calcule la longueur d’onde maximale d’un photon utilisable.
2. Ce photon appartient-il au domaine visible ? Quel est son nom ?
3. Un photon de 550 nm (2,26 eV) est absorbé : quelle fraction de son énergie est perdue sous forme de chaleur ?

Le spectre d’émission de l’hydrogène comporte quatre raies visibles représentées ci-dessous. Elles correspondent aux transitions de n = 3, 4, 5 ou 6 vers n = 2.

1. Relève la longueur d’onde de chaque raie à 5 nm près.
2. Calcule l’énergie du photon correspondant, en eV.
3. Calcule, avec E_n = −13,6 ÷ n², l’énergie des transitions n → 2 pour n = 3, 4, 5, 6 et associe chaque raie à sa transition.
4. Pourquoi ces raies sont-elles un moyen d’identifier l’hydrogène dans une étoile ?

Chaque phrase contient une erreur. Recopie-la en la corrigeant.

a. L’énergie d’un photon vaut E = h × λ ÷ c.
b. 1 eV = 1,60 × 10¹⁹ J.
c. Avec une lumière assez intense, tout métal émet des électrons, quelle que soit la fréquence.
d. L’énergie d’un électron lié dans un atome est positive.
e. Le photon émis lors de la transition de n = 3 à n = 2 a pour énergie E₃ + E₂.

1. Calcule la longueur d’onde maximale d’un photon capable d’ioniser un atome d’hydrogène dans son état fondamental. Dans quel domaine se situe-t-elle ?
2. Un photon de 20 eV ionise l’atome. Calcule l’énergie cinétique de l’électron libéré, en eV puis en J.
3. Calcule la vitesse de cet électron (formule : v = √(2 E_c ÷ m)).

Une lampe germicide émet un rayonnement de longueur d’onde 254 nm avec une puissance lumineuse de 10 W.

1. Calcule l’énergie d’un photon en joules et en eV.
2. Calcule le nombre de photons émis par seconde.
3. Pourquoi un tel rayonnement est-il dangereux pour la peau et les yeux, alors qu’une lampe rouge de même puissance l’est beaucoup moins ?

Un élève affirme : « Si j’éclaire une plaque de zinc avec une lampe rouge assez puissante, elle finira bien par émettre des électrons, puisqu’elle reçoit de plus en plus d’énergie. » Données : travail d’extraction du zinc 4,3 eV ; longueur d’onde de la lumière rouge 700 nm.

Rédige une réponse argumentée : calcule l’énergie d’un photon rouge, compare-la à W₀, explique pourquoi l’intensité ne change pas le résultat, et indique quelle modification de la lumière permettrait l’effet, en donnant la longueur d’onde maximale utile.