Exercice 1
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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 131 53 I , on peut déduire que : abcd- Le nombre de nucléons est 131 La masse d’un atome de cet isotope de l’iode est environ 53 u Il y a 53 électrons dans cet ion Il y a 131 neutrons dans ce noyau. Unité de masse atomique Exercice 1 Le potassium naturel ( numéro atomique 19 ) contient trois isotopes : Isotop Masse atomique ( u ) Potass ium 39 38,964 93,258 Potass ium 40 39,964 0,012 Potass ium 41 40,962 6,730 es Abondanc e(%) 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 N A 6,023.1023 mol 1 . Exercice 2 Calculer en u puis en kg la masse d’un atome d’uranium 238 de symbole 238 92U 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 ) Exos 2009-10 : IMRT1 – Structure électronique de l’atome PAGE 1 sur 5 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 2 sur 5 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 cm a- 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 Expliquer ( en justifiant ) si les affirmations suivantes sont vraies ou fausses. Soit un photon de longueur d’onde dans le vide 5 nm. a- Sa fréquence vaut 6.1017 Hz 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 Expliquer ( en justifiant ) si les affirmations suivantes sont vraies ou fausses. 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 Exos 2009-10 : IMRT1 – Structure électronique de l’atome PAGE 3 sur 5 Exercice 3 : d’après le QCM annales 2002 DTS IMRT Les énergies des niveaux de l’atome d’hydrogène sont donnés par la relation En abcd- 13, 6 n2 ( où En est exprimée en eV et n est le nombre quantique principal ). Expliquer ( en justifiant ) si les affirmations suivantes sont vraies ou fausses. Au niveau n= 2 , l’énergie de l’atome vaut -1,51 eV Un photon d’énergie 15 eV ne peut pas provoquer l’ionisation de l’atome d’hydrogène Un photon de longueur d’onde 121,7 nm provoque l’ionisation de l’atome d’hydrogène 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. Exercice 4 : d’après le QCM annales 2002 DTS IMRT On connaît le diagramme d’énergie simplifié du tungstène. Expliquer ( en justifiant ) si les affirmations E ( en keV ) 0 -2,3 -11,3 suivantes sont vraies ou fausses. M 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 ) L -70 K Exercice 5 : d’après les annales 2000 DTS IMRT 1°) Donner la configuration électronique de plus basse énergie des atomes suivants : 11 Na , 27 Co , 15 P . 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 ? Exercice 6 : d’après les annales 1990 DTS IMRT 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 : En(en eV ) 13,6 n2 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. Exos 2009-10 : IMRT1 – Structure électronique de l’atome PAGE 4 sur 5 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 (en nm) 1241 ( rappel : constante de E(en eV ) Planck h 6,62.1034 J .s ) 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 Nom de Energie émise Longueur d’onde Domaine du rayonnement ( l’électron la raie ( en eV) du photon préciser la couleur si la ( en nm ) 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 : 1 568,8 nm 2 589,3 nm 3 615, 4 nm 4 819,5 nm . 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 2 589,3 nm et 4 819,5 nm , 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. Exos 2009-10 : IMRT1 – Structure électronique de l’atome PAGE 5 sur 5
