Chapitre 16

1
Chapitre 16  Latome et la mécanique de
Newton  Ouverture au monde quantique
Classe de TS Physique
Partie D-chap16
QUESTIONS A PROPOS DU TEXTE
2

1. Rappelez quelles sont les caractéristiques du
   modèle de latome de Rutherford ? Quelle
   analogie a t-il fait pour décrire ce modèle ?

Pour Rutherford, le modèle de latome était
analogique au modèle planétaire 

• Latome possédait un centre, massique, constitué
  par le noyau de latome, analogue au Soleil ou à
  la Terre.

• Autour de ce centre gravitent des électrons,
  analogues aux planètes qui tournent autour du
  soleil ou aux satellites gravitant autour de la
  Terre.

3

1. Quelles sont les lois en 1/r² qui ont mis
   Rutherford sur cette piste de lanalogie ?
   (1)Donnez lexpression de la force pour chacune
   dentre elles, et faites un schéma précis qui
   montre deux corps en interaction.

• A léchelle microscopique, la cohésion de la
  matière est régie par linteraction électrique,
  elle-même décrite par la loi de Coulomb 

4

• A léchelle astronomique, la cohésion des
  systèmes planétaires est régie par linteraction
  gravitationnelle, elle-même décrite par la loi de
  Newton 

5
3) Quelle observation est en contradiction avec
lapplication des lois de Newton au niveau
microscopique ? Justifiez votre réponse.
Alors que, si les lois de Newton était
applicables, tous les atomes de même nombre
délectrons devraient prendre des tailles
différentes,
on remarque lidentité des rayons atomiques pour
tous les atomes dun même élément.
4) Rappelez en quelques mots en quoi consiste
lexpérience de Franck et Hertz.
Ils ont bombardé les atomes dun gaz avec un
faisceau homocinétique délectrons et comparé
lénergie de ceux-ci à lentrée de la chambre de
gaz et à la sortie.
6
5) Si le modèle de latome de Rutherford est
juste, quel(s) résultats(s) lexpérience de
Franck et Hertz doit-elle donner ?
On doit observer une variation de lénergie
interne des atomes cibles, qui prendra alors des
valeurs quelconques 
de la même manière, les électrons projectiles
verront une perte quelconque de leur énergie
cinétique.
6) Résumez les résultats expérimentaux obtenus et
concluez (2).

• Si Ein lt 19.8 eV, alors les électrons ressortent
  avec la même énergie que celle avec laquelle ils
  sont entrés (ils ton rebondis en conservant leur
  énergie cinétique).

7

• Si 19.8 eV lt Ein lt 20.6 eV, les électrons
  transmettent une énergie de 19.8 eV aux atomes
  cibles.

• Si 20.6 eV lt Ein gt 21 eV, les électrons
  transmettent une énergie de 20.6 eV aux atomes
  cibles.

Cl  Le modèle de latome décrit par Rutherford
est erroné, la mécanique classique ne peut
interpréter ce phénomène.
7) Quelles hypothèses ont été émises concernant
lénergie transférée par les électrons
projectiles aux atomes cibles ? (2)
La température du gaz naugmentant pas, cette
énergie augmente lénergie interne du système
noyau-électrons.
8
Pour le premier palier (Ein gt 19.8 eV), latome
est passé de son état fondamental à un état
excité.
Cl  Laugmentation de lénergie de latome se
fait par palier, on dit que lénergie de latome
est quantifiée.
8) Que se passe-t-il lorsque lon augmente trop
Ein des électrons projectiles pour un type
datome cible donné ?
A ce moment là, on atteint lénergie dionisation
de latome, on arrache un électron à celui-ci qui
devient alors un ion positif  on ne peut pas
multiplier indéfiniment les états excités dun
type datome.
9
9) Que fait un atome après avoir été excité par
collision avec un électron projectile ?
Selon létat dexcitation atteint, il va se
désexciter en une ou plusieurs étapes pour
revenir à son état fondamental, il va alors
émettre un ou plusieurs rayonnement, à lorigine
des spectres de raies démission.
QUELQUES NOTIONS A CONNAITRE

• Spectre de raies démission et désexcitation
  atomique 

Le spectre de raies démission observé pour un
atome rend compte directement de la
quantification de lénergie de cet atome.
10
Une raie du spectre correspond à une
désexcitation de latome dun niveau dénergie à
un autre.

• Quantum dénergie associé à la désexcitation (3)
  

Si un atome se désexcite et passe dun niveau
dénergie Ei à un niveau dénergie Ef , il émet
une radiation monochromatique de fréquence ? qui
vérifie 
?E  quantum dénergie correspondant à la
désexcitation (J) Ei  énergie du niveau excité
de départ (J) Ef  énergie du niveau excité ou
fondamental darrivée (J) h  constante de
Planck  6.6210-34 J.s ?  fréquence de la
radiation émise (Hz) ?  longueur donde de la
radiation (m) c  vitesse de la lumière dans le
vide 3.0108 m/s
11
En 1905, Einstein postule que ces quanta
dénergie sont portés par des particules de masse
nulle, non chargées se propageant à la vitesse de
la lumière c 3,0?108m.s-1 dans le vide  ces
particules sont appelées  photon .
Rq  Les différents niveaux dénergie dun atome
sont plutôt donnés en eV quen joules, il
convient donc de savoir effectuer des conversions
entre ces deux unités dénergie 
1 eV 1.610-19 J
Rq Passage dun état excité à un autre par
absorption dun photon
12

• Généralisation

La notion de niveaux dénergie sapplique à tout
système microscopique  noyau, atomes, molécules.
La relation ?E h? concerne toute transition
associée à un rayonnement électromagnétique.

• Niveaux dénergie électroniques 

Un atome possède de lénergie du fait de
linteraction des électrons entre eux et avec le
noyau. Cette énergie dinteraction et lénergie
cinétique des électrons constituent lénergie
électronique de latome.
qq eV lt ?E lt qq keV
13

• Niveaux dénergie nucléaire

• Le noyau possède de lénergie du fait de
  linteraction entre les nucléons (interaction
  forte).

• Lors dune désintégration, le noyau fils naît
  dans un état excité noté Y.

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

• Cette émission correspond à un changement de
  niveau dénergie du noyau atomique.

• Le rayonnement ? présente un spectre de raies 
  lénergie du noyau est quantifiée.

?? ? 10-12 m donc E? ? MeV
14
APPLICATIONS
Voici le spectre de raies démission de
lhélium 

On remarque que celui-ci est composé de trois
raies intenses  Une raie bleue (B) de longueur
donde 502 nm, une raie jaune (J) à 588 nm, et
une raie rouge (R) à 668 nm.
15
1) Retrouvez à partir de ces trois raies, la
valeur du quantum dénergie auxquelles elles
correspondent, et remplissez le tableau
ci-dessous (4) et (5)
On utilise la formule pour trouver ?E, puis on
convertit ensuite lénergie obtenue en eV.
Pour la radiation bleu
16
Pour les autres radiations, voici le tableau
Couleur ? (en nm) ?E (en J) ? 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
17
2) Nous savons que ces trois émissions
correspondent toutes à un état excité initial
dénergie égale à 23,1 eV. Déterminez le niveau
final de désexcitation correspondant à chacune
des trois raies précédentes du spectre et
représentez ces changements dénergie dans les
atomes dhélium par des flèches (une pour chaque
raie) dans le diagramme suivant 
18
B J R