Ainsi, ce contrôle de physique-chimie de première sur les photons et les niveaux d’énergie dure 55 minutes. Ensuite, la calculatrice est autorisée. Par ailleurs, le barème total est de 20 points ; les conversions entre joule et électronvolt, les unités et les chiffres significatifs comptent dans la notation.
Données : constante de Planck h = 6,63 × 10−34 J·s ; célérité de la lumière dans le vide c = 3,00 × 108 m·s−1 ; 1 eV = 1,60 × 10−19 J ; 1 nm = 10−9 m. Niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène : En = −13,6 ÷ n2 (en eV).
Par ailleurs, ce contrôle est à télécharger en PDF et à imprimer gratuitement : le bouton se trouve en bas de la page, sans inscription.
Le sujet du contrôle sur les photons et les niveaux
Exercice 1 : questions de cours (3 points)
- Donner l’expression de l’énergie d’un photon en fonction de sa fréquence, puis en fonction de sa longueur d’onde dans le vide. Préciser les unités. (1 point)
- Qu’appelle-t-on quantification de l’énergie d’un atome ? Quelle relation lie l’énergie d’un photon émis ou absorbé à la variation d’énergie de l’atome ? (1 point)
- Quelle différence y a-t-il entre un spectre continu et un spectre de raies ? (1 point)
Exercice 2 : un laser vert (4 points)
De plus, un pointeur laser émet une lumière de longueur d’onde λ = 532 nm avec une puissance P = 5,0 mW.
- Calculer l’énergie d’un photon de ce laser, en joule. (1 point)
- Exprimer cette énergie en électronvolt. (1 point)
- Calculer le nombre de photons émis par seconde. (1 point)
- Donc, un laser rouge de longueur d’onde 650 nm, de même puissance, émet-il plus ou moins de photons par seconde ? Justifier sans calcul. (1 point)
Exercice 3 : niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène (6 points)
- Quel est le niveau fondamental ? Quelle énergie minimale faut-il fournir à un atome dans cet état pour l’ioniser ? (1 point)
- L’atome passe du niveau n = 3 au niveau n = 2. Le photon est-il émis ou absorbé ? Calculer sa longueur d’onde en nm et dire s’il est visible (domaine visible : 400 à 800 nm). (1,5 point)
- Enfin, un photon d’énergie 12,1 eV est absorbé par un atome dans l’état fondamental. Vers quel niveau l’atome est-il excité ? (1 point)
- Ensuite, un photon d’énergie 10,0 eV peut-il être absorbé par un atome dans l’état fondamental ? Justifier. (1 point)
- Puis, un atome dans l’état n = 2 reçoit un photon d’énergie 4,0 eV. Que se passe-t-il ? Calculer, s’il y a lieu, l’énergie cinétique de l’électron expulsé, en eV. (1,5 point)
Exercice 4 : lampe à vapeur de sodium et spectre d’hydrogène (3 points)
Ainsi, une lampe à vapeur de sodium émet principalement une raie jaune de longueur d’onde 589 nm. Puis on donne ci-dessous le spectre d’émission de l’hydrogène dans le domaine visible.
- Calculer l’énergie, en eV, d’un photon de la raie jaune du sodium. (1 point)
- Pourquoi le spectre d’une lampe à vapeur est-il un spectre de raies et non un spectre continu ? (1 point)
- Calculer l’énergie du photon de la raie rouge de l’hydrogène (656 nm) en eV et identifier la transition correspondante à l’aide du diagramme de l’exercice 3. (1 point)
Exercice 5 : effet photoélectrique sur du zinc (4 points)
Par ailleurs, une plaque de zinc ne libère des électrons que si l’énergie du photon reçu dépasse son travail d’extraction W = 4,3 eV.
- Calculer la longueur d’onde seuil λ0 au-dessus de laquelle aucun électron n’est arraché. (1 point)
- De plus, on éclaire la plaque avec la lumière du laser vert de 532 nm, très intense. Observe-t-on des électrons émis ? Justifier. (1 point)
- Donc, on l’éclaire avec une radiation ultraviolette de longueur d’onde 250 nm. Calculer l’énergie d’un photon en eV, puis l’énergie cinétique maximale des électrons éjectés en eV. (1 point)
- Exprimer cette énergie cinétique maximale en joule. (1 point)
