imrt1-_exosstructure_matiere2009-2010-2

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 , 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 .

Exercice 2

Calculer en u puis en kg la masse d’un atome d’uranium 238 de symbole

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 cma- 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


Soit un photon de longueur d’onde dans le vide 5 nm.

a- Sa fréquence vaut

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


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



Les énergies des niveaux de l’atome d’hydrogène sont donnés par la relation

( où est exprimée en eV et n est le nombre quantique principal ).


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.


On connaît le diagramme d’énergie simplifié du tungstène.


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 )


1°) Donner la configuration électronique de plus basse énergie des atomes suivants :

, , .

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 ?


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 :

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.


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 ( rappel : constante de

Planck )

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 : .

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 et , 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.


Documents

imrt1-_exosstructure_matiere2009-2010-2