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Thème : Ondes et Signaux - La lumière TP 1ère spé Physique-Chimie

INTERACTION LUMIÈRE-MATIÈRE

Compétences :

- Interpréter les échanges d'énergie entre lumière et matière - Savoir calculer l'énergie d'un photon et intégrer son lien à la longueur d'onde - Savoir interpréter le diagramme de niveaux d'énergie d'atomes

- Connaître les relations :  = c / et E = h. = h.c/.

CONTEXTE

Vous êtes projetés dans le passé à la fin du XIXème siècle. Les scientifiques se disputent âprement autour des

spectres de lumière obtenus à partir de sources froides de lumière. Comment les expliquer ?

Vous devez les aider à résoudre de nombreux problèmes grâce à votre esprit scientifique.

PROBLÉMATIQUE

Ce TP S'articule autour de plusieurs défis que les physiciens ont relevé au cours de l'histoire partant toujours de

leurs observations.

DOCUMENTS A DISPOSITION

Matériel :

•lampe à vapeurs de mercure, •goniomètre, •spectroscope USB, •casque audioDoc 1 : Webographie •Animation - Spectres d'émission des atomes •Vidéo - Quand l'électron émet des photons •Vidéo - L'électron dans tous ses états •Animation - Spectres d'émission des étoiles Doc 2 : Histoire du modèle du photon (voir les vidéos de la webographie)

A la fin du XIXe siècle, la physique classique ne trouve pas d'explication théorique aux phénomènes expérimentaux

d'émission et d'absorption de la lumière par la matière, ou plus généralement aux phénomènes d'interaction

rayonnement - matière. Certains physiciens vont alors introduire de nouveaux concepts.

Thème : Ondes et Signaux - La lumière TP 1ère spé Physique-Chimie

Doc 3 :

Caractéristiques des radiations

Une radiation est caractérisée par sa

longueur d'onde dans le vide " λ ». On lui associe une fréquence " ν » telle que : c : Vitesse de la lumière dans le vide (m.s-1)

λ : Longueur d'onde (m)

ν : Fréquence du rayonnement lumineux (Hz)Doc 4 : Le photon Un rayonnement lumineux monochromatique de longueur d'onde peut être modélisé par un flux de particules : les photons. Chaque photon, particule sans masse, transporte un quantum d'énergie ΔE

ΔE : Quantum d'énergie (J)

h : constante de PLANCK (J.s ) h = 6,63 . 10-34 J.s c : Vitesse de la lumière dans le vide (m.s-1) c = 3,00 . 108 m.s-1

λ : Longueur d'onde (m)

ν : Fréquence du rayonnement lumineux (Hz)

Doc. 5 : Spectre d'émission de l'hydrogène

La décomposition de la lumière émise par une lampe à hydrogène permet d'observer un spectre d'mission comportant des raies colorées sur fond noir.

Doc 6 : Diagramme de niveau d'énergie

L'énergie d'un atome de matière ne peut prendre que certaines valeurs : on dit qu'elle est quantifiée. Le niveau d'énergie la plus basse correspond à ce qu'on appelle " l'état fondamental » : c'est un état stable de la matière. Les niveaux d'énergie supérieure, appelés " états excités », sont des états instables de la matière. Un diagramme d'énergie permet de représenter les différents niveaux d'énergie possibles. Un atome excité (par décharge électrique, chauffage, absorption de lumière...) retourne spontanément à son état fondamental en

émettant un photon.

Doc 7 : Diagramme de niveau d'énergie de l'atome d'hydrogène Les niveaux d'énergie d'un atome, notés En, sont représentés sur un diagramme appelé " diagramme de niveaux d'énergie ». Au cours d'une transition d'un niveau à un niveau inférieur, l'énergie de l'atome diminue. On note E la valeur correspondante à cette diminution E = E1 - E2 E représente la valeur absolue de note E, c'est-

à-dire sa valeur sans signe.

L'atome émet alors un photon transportant ce

quantum d'énergie E.

Cela se traduit par l'émission

d'une radiation de longueur d'onde dans le vide  telle que :

ΔE : Quantum d'énergie (J)

h : constante de PLANCK (J.s ) c : Vitesse de la lumière dans le vide (m.s-1)

λ : Longueur d'onde (m)ΔE=h×ν=h×c

λν=c

ΔE=h×c

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TRAVAIL A RÉALISER

A) Défi n°1(10 min conseillées)

En 1859, vous êtes dans la peau de Mr Kirchoff et votre partenaire dans celle de Mr Bunsen et travaillez à la rédaction d'un mémoire commun à l'université d'Heidelberg.

Vous regardez dans le goniomètre. Quelle belle surprise !Note : la lampe à vapeurs de mercure est un gaz sous faible

pression. C'est une source froide comme les tubes dits " néon ».Répondre aux questions en vous aidant des documents et

animations à votre disposition. a. S'agit-il d'un spectre d'émission, d'absorption ? b. Quel est l'élément chimique étudié dans ce cas ? c. Comment s'explique la production de lumière dans ce cas ?

B) Défi n°2(20 min conseillées)

Vous êtes maintenant projeté en 1908, à l'université de Berne en Suisse, dans la peau

d'Einstein, baptisé aujourd'hui " le génie insoumis ». Il a 29 ans et il a enfin été reconnu pour

ses travaux par ses pairs dont Planck et sa notoriété grandit dans la communauté scientifique.

a.La notion de quantum a été introduite pour expliquer les phénomènes d'interaction rayonnement - matière : Est-ce l'hypothèse d'un seul physicien ? b.Définir le photon à l'aide des documents. c.Calculer la fréquence d'un rayonnement de longueur d'onde 500 nm.

Thème : Ondes et Signaux - La lumière TP 1ère spé Physique-Chimie

d. La constante de Planck vaut h = 6,63.10-34 J.s.

L'énergie d'un photon est généralement exprimée en électronvolt (eV) : 1 eV = 1,60.10-19 J.

H Calculer l'énergie d'un photon de longueur d'onde 500 nm, en J puis en eV.

H Quel intérêt y a-t-il à exprimer l'énergie d'un photon en électronvolt plutôt qu'en joule ?

B) Défi n°3(50 min conseillées)

Vous travaillez dans le laboratoire de Niels Bohr et il vous demande de mettre en application sa théorie à propos

de l'atome d'hydrogène.

a. è Visionner les vidéos proposées (doc. 1). Comment Bohr explique-t-il les transitions électroniques ?

b. A partir du doc7., calculer le quantum d'énergie E correspondant à la transition du niveau E2 vers celui

d'énergie E1. Convertir cette valeur en Joule.

c. Calculer la valeur de la longueur d'onde dans le vide de la radiation émise lors de cette transition.

Ce résultat est-il en accord avec le spectre du doc5 ?

d. Les raies observées sur le spectre (doc 5) correspondent à des transitions qui se font vers le niveau d'énergie

E1 = -3,40 eV.

H Calculer le quantum d'énergie correspondant à la radiation de longueur d'onde 486 nm. H En déduire la valeur du niveau d'énergie initial. H Reproduire le diagramme et symboliser cette transition par une flèche.quotesdbs_dbs43.pdfusesText_43

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