Chapitre 16 : Chapitre 16 : L’atome et la L’atome et la

mécanique de Newton : mécanique de Newton : Ouverture au monde Ouverture au monde

quantiquequantique

Classe de TS

Physique

Partie D-chap16

QUESTIONS A PROPOS DU TEXTEQUESTIONS A PROPOS DU TEXTE

1)1)Rappelez quelles sont les caractéristiques du Rappelez quelles sont les caractéristiques du modèle de l’atome de Rutherford ? modèle de l’atome de Rutherford ? Quelle analogie a t-il fait pour décrire ce modèle ?Quelle analogie a t-il fait pour décrire ce modèle ?

Pour Rutherford, le modèle de l’atome était analogique au modèle planétaire : analogique au modèle planétaire :

L’atome possédait un centre, massiquecentre, massique, constitué par le noyau de l’atome, analogue au Soleil ou à la Terre. Autour de ce centre Autour de ce centre gravitent des électronsgravitent des électrons, analogues aux planètes qui tournent autour du soleil ou aux satellites gravitant autour de la Terre.

2)2)Quelles sont les lois en 1/r² qui ont mis Rutherford Quelles sont les lois en 1/r² qui ont mis Rutherford sur cette piste de l’analogie ? sur cette piste de l’analogie ? (1)(1)

Donnez l’expression de la force pour chacune Donnez l’expression de la force pour chacune d’entre elles, et faites un schéma précis qui montre d’entre elles, et faites un schéma précis qui montre deux corps en interaction.deux corps en interaction.

A l’échelle l’échelle microscopiquemicroscopique, la cohésion de la matière est régie par l’interaction électrique, elle-même décrite par la loi de loi de CoulombCoulomb :

A l’échelle l’échelle astronomiqueastronomique, la cohésion des systèmes planétaires est régie par l’interaction gravitationnelle, elle-même décrite par la loi loi de Newton : de Newton :

3) Quelle observation est en contradiction avec 3) Quelle observation est en contradiction avec l’application des lois de Newton au niveau l’application des lois de Newton au niveau microscopique ? Justifiez votre réponse.microscopique ? Justifiez votre réponse.

Alors que, si les lois de Newton étaient applicables, tous les atomes de même nombre atomes de même nombre d’électronsd’électrons devraient prendre des tailles tailles différentes, différentes, on remarque l’identité des rayons atomiques l’identité des rayons atomiques pour tous les atomes d’un même élément.pour tous les atomes d’un même élément.

4) Rappelez en quelques mots en quoi consiste 4) Rappelez en quelques mots en quoi consiste l’expérience de Franck et Hertz.l’expérience de Franck et Hertz.

Ils ont bombardé les atomes d’un gazbombardé les atomes d’un gaz avec un faisceau homocinétique d’électronsfaisceau homocinétique d’électrons et comparé comparé l’énergiel’énergie de ceux-ci à l’entréeà l’entrée de la chambre de gaz et à la sortieà la sortie.

5) Si le modèle de l’atome de Rutherford est 5) Si le modèle de l’atome de Rutherford est juste, quel(s) résultats(s) l’expérience de juste, quel(s) résultats(s) l’expérience de Franck et Hertz doit-elle donner ?Franck et Hertz doit-elle donner ?

On doit observer une variation de l’énergie l’énergie interne des atomes ciblesinterne des atomes cibles, qui prendra alors des valeurs quelconquesvaleurs quelconques ;

de la même manière, les électrons projectiles verront une perte quelconque de leur énergie perte quelconque de leur énergie cinétiquecinétique.6) Résumez les résultats expérimentaux obtenus et 6) Résumez les résultats expérimentaux obtenus et

concluez concluez (2)(2)..Si Ein < 19.8 eV, alors les électrons ressortent ressortent avec la même énergieavec la même énergie que celle avec laquelle ils sont entrés (ils ont rebondi en conservant leur énergie cinétique).

Si 19.8 eV < Ein < 20.6 eV, les électrons transmettent une énergie de 19.8 eV aux atomes transmettent une énergie de 19.8 eV aux atomes cibles.cibles.Si 20.6 eV < Ein > 21 eV, les électrons transmettent une énergie de 20.6 eV aux atomes transmettent une énergie de 20.6 eV aux atomes cibles.cibles.

Cl : Le modèle de l’atome décrit par Rutherford est erroné, la mécanique

classique ne peut interpréter ce phénomène.

7) Quelles hypothèses ont été émises concernant 7) Quelles hypothèses ont été émises concernant l’énergie transférée par les électrons projectiles l’énergie transférée par les électrons projectiles aux atomes cibles ? aux atomes cibles ? (2)(2)

La température du gaz n’augmentant pas, cette cette énergie augmente l’énergie interne du système énergie augmente l’énergie interne du système noyau-électrons. noyau-électrons.

Pour le premier palier (Ein > 19.8 eV), l’atome est passé de son état fondamental à un état passé de son état fondamental à un état excité.excité.Cl : L’augmentation de l’énergie de l’atome

se fait par palier, on dit que l’énergie de l’énergie de l’atome est quantifiéel’atome est quantifiée.

8) Que se passe-t-il lorsque l’on augmente trop 8) Que se passe-t-il lorsque l’on augmente trop EEinin des électrons projectiles pour un type des électrons projectiles pour un type

d’atome cible donné ? d’atome cible donné ? A ce moment là, on atteint l’énergie l’énergie d’ionisationd’ionisation de l’atome, on arrache un arrache un électronélectron à celui-ci qui devient alors un ion positif : on ne peut pas multiplier indéfiniment les états excités d’un type d’atome.

9) Que fait un atome après avoir été excité par 9) Que fait un atome après avoir été excité par collision avec un électron projectile ?collision avec un électron projectile ?

Selon l’état d’excitation atteint, il va se désexciter en une ou plusieurs étapesdésexciter en une ou plusieurs étapes pour revenir à son état fondamental, il va alors émettre un ou plusieurs rayonnementémettre un ou plusieurs rayonnement, à l’origine des spectres de raies d’émission.

QUELQUES NOTIONS A QUELQUES NOTIONS A CONNAITRECONNAITRE Spectre de raies d’émission et désexcitation Spectre de raies d’émission et désexcitation

atomique : atomique : Le spectre de raies d’émissionspectre de raies d’émission observé pour un atome rend compterend compte directement de la quantification de l’énergiequantification de l’énergie de cet atome.

Une raieUne raie du spectre correspond à une une désexcitationdésexcitation de l’atome d’un niveau d’énergie à un autre. Quantum d’énergie associé à la désexcitation Quantum d’énergie associé à la désexcitation  (3)(3) : : Si un atome se désexcite et passe d’un niveau passe d’un niveau d’énergie Ed’énergie Eii à un niveau d’énergie E à un niveau d’énergie Ef f , il émet il émet une radiation monochromatique de fréquence νune radiation monochromatique de fréquence ν qui vérifie :

chhEEE if

ΔE : quantum d’énergie correspondant à la désexcitation (J)

Ei : énergie du niveau excité de départ (J)

Ef : énergie du niveau excité ou fondamental d’arrivée (J)

h : constante de Planck = 6.62*10-34 J.s

ν : fréquence de la radiation émise (Hz)

λ : longueur d’onde de la radiation (m)

c : vitesse de la lumière dans le vide = 3.0*108 m/s

En 1905, EinsteinEinstein postule que ces quanta quanta d’énergied’énergie sont portés par des particules de particules de masse nulle, non chargées se propageant à la masse nulle, non chargées se propageant à la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière c = 3,0108m.s-1 dans le vide ; ces particules sont appelées « photon photon ».Rq : Les différents niveaux d’énergie d’un atome sont plutôt donnés en eV qu’en joulesplutôt donnés en eV qu’en joules, il convient donc de savoir effectuer des conversionsconversions entre ces deux unités d’énergie :

1 eV = 1.6×10-19 J

Rq : Passage d’un état excité à un autre par absorption d’un photon :

Généralisation : Généralisation : La notion de niveaux d’énergienotion de niveaux d’énergie s’applique à tout système microscopique : noyau, atomes, noyau, atomes, moléculesmolécules.La relation E = hν concerne toute transition associée à un rayonnement électromagnétique.

Niveaux d’énergie électroniques :

Un atomeatome possède de l’énergieénergie du fait de l’interaction des électrons entre eux et avec le l’interaction des électrons entre eux et avec le noyaunoyau. Cette énergie d’interaction et l’énergie cinétique des électrons constituent l’énergie électronique de l’atome.

qq eV < E < qq keV

Niveaux d’énergie nucléaire :

Le noyaunoyau possède de l’énergieénergie du fait de l’interaction entre les nucléons (interaction interaction forteforte). Lors d’une désintégration, le noyau fils naît dans un état excité noté Y*état excité noté Y*.

Il retourne ultérieurement dans un état stable Y en émettant un rayonnement en émettant un rayonnement .

Cette émission correspond à un changement changement de niveau d’énergie du noyau atomiquede niveau d’énergie du noyau atomique.

Le rayonnement présente un spectre de raies : l’énergie du noyau est quantifiée. l’énergie du noyau est quantifiée.

10-12 m donc E MeV

APPLICATIONSAPPLICATIONS

Voici le spectre de raies d’émission de spectre de raies d’émission de l’héliuml’hélium :

B J R

On remarque que celui-ci est composé de trois trois raies intensesraies intenses :

Une raie bleue (B) de longueur d’onde 502 nm,

une raie jaune (J) à 588 nm, et une raie rouge (R) à 668 nm.

1) Retrouvez à partir de ces trois raies, la valeur du 1) Retrouvez à partir de ces trois raies, la valeur du quantum d’énergie auxquelles elles correspondent, quantum d’énergie auxquelles elles correspondent, et remplissez le tableau ci-dessous et remplissez le tableau ci-dessous  (4)(4) et et (5)(5) : :

On utilise la formule pour trouver ΔE, puis on convertit ensuite l’énergie obtenue en eV.

Jhc

E 199

8-34

10*0.410*502

10*0.310*6.62

Pour la radiation bleu :

eVJenE

eVenE 47.210*6.1

10*0.4

10*6.1

)()(

19

19

19

Pour les autres radiations, voici le tableau :

Couleur

λ (en nm)

ΔE (en J) Δ E (en eV)

Bleu 502 3,96 x 10-19 2,47

Jaune 588 3,38 x 10-19 2,11

Rouge 668 2,97 x 10-19 1,86

2) Nous savons que ces trois émissions 2) Nous savons que ces trois émissions correspondent toutes à un état excité initial correspondent toutes à un état excité initial d’énergie égale à 23,1 eV. Déterminez le niveau d’énergie égale à 23,1 eV. Déterminez le niveau final de désexcitation correspondant à chacune final de désexcitation correspondant à chacune des trois raies précédentes du spectre et des trois raies précédentes du spectre et représentez ces changements d’énergie dans les représentez ces changements d’énergie dans les atomes d’hélium par des flèches (une pour chaque atomes d’hélium par des flèches (une pour chaque raie) dans le diagramme suivant :raie) dans le diagramme suivant :

24.6 eV

B J R