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Chapitres Physique-Chimie en Terminale Générale

Lumière matière en terminale : exercices corrigés

Cours en ligne de Physique-Chimie en Terminale

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Lumière matière exercice 1 : Effet photoélectrique

Ionisation chimique, ionisation physique.

On donne $h=6,62\cdot 10^{-34}~\mathrm{J\cdot s}$ , $m_e=9,11\cdot 10^{-31}~\mathrm{kg}$ et le travail d’extraction du cuivre $W_{\mathrm{ext}}=7,53\cdot 10^{-19}~\mathrm{J}$

a. Ionisation chimique du cuivre.

On considère les couples $\mathrm{Cu^{+}/Cu_{(s)}}$ et $\mathrm{Fe^{3+}/Fe}$

Écrire la réaction d’ionisation du cuivre métallique par l’ion fer III.

b. Ionisation physique du cuivre.

On éclaire une plaque de cuivre avec un rayonnement électromagnétique de fréquence $\nu=2,00\cdot 10^{15}~\mathrm{Hz}$

Justifier qu’il y a ionisation du cuivre et calculer la vitesse de l’électron extrait.

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Lumière matière exercice 2 : Les quatre transitions

On donne $h=6,62\cdot 10^{-34}~\mathrm{J\cdot s}$ , $c=3,00\cdot 10^8~\mathrm{m\cdot s^{-1}}$ et $1~\mathrm{eV}=1,60\cdot 10^{-19}~\mathrm{J}$

a. Au sein d’un métal.

L’énergie d’un atome d’or est assimilée à l’énergie d’interaction entre l’ion $\mathrm{Au^+}$ et un électron.

Dans son état fondamental, l’électron est lié au noyau et forme l’atome d’or Au ; dans son état ionisé, l’électron est séparé de l’ion.

L’énergie d’ionisation est celle consommée par la réaction

$\mathrm{Au\rightarrow Au^++e^-}$

Elle vaut 9,23 eV.

On donne ci-dessous (figure a.) le diagramme énergétique.

Une plaque d’or soumise à une radiation électromagnétique émet des électrons. Décrire la transition correspondante, préciser l’effet associé, calculer la longueur d’onde maximale du photon absorbé et préciser à quel domaine il appartient.

b. Au sein d’un semi-conducteur.

On donne ci-dessous (figure b.) le diagramme énergétique d’un semi-conducteur.

Le matériau devient conducteur sous l’action d’une radiation électromagnétique. Décrire la transition correspondante, préciser l’effet associé, calculer la longueur d’onde maximale du photon absorbé et préciser à quel domaine il appartient.

c. Au sein d’un atome d’hydrogène.

On donne ci-dessous (figure c.) le diagramme énergétique d’un semi-conducteur.

Décrire la transition correspondant à l’excitation du niveau $n=2$ au niveau $n=4$ , préciser l’effet associé, calculer la longueur d’onde du photon absorbé et préciser à quel domaine il appartient.

d. Au sein d’une molécule.

On donne ci-dessous (figure d.) le diagramme énergétique simplifié d’une molécule d’éthanal.

L’entrée en vibration d’une liaison C=O nécessite une énergie $\mathcal{E}_v=0,211~\mathrm{eV}$

Elle est provoquée par l’absorption d’un photon. Décrire la transition correspondante, préciser l’effet associé, calculer la longueur d’onde et le nombre d’onde $\displaystyle{\sigma=\frac1{\lambda}}$ du photon absorbé et préciser à quel domaine il appartient.

La lumière matière : correction exercice 1 Effet photoélectrique

a. On écrit les demi-équations et on en déduit la réaction d’oxydoréduction où le cuivre est oxydé

$\mathrm{Cu+Fe^{3+}\rightarrow Cu^++Fe^{2+}}$

b. On calcule la fréquence-seuil du cuivre

$\nu_s=\displaystyle{\frac{W_{\mathrm{ext}}}{h}=1,14\cdot 10^{15}~\mathrm{Hz}}$

$\nu > \nu_s$ donc il y a arrachement d’un électron, et ionisation de l’atome de cuivre.

Le bilan énergétique s’écrit

$h\nu=W_{\mathrm{ext}}+\frac12mv^2$ donc

$v=\displaystyle{\sqrt{\frac{2\left(h\nu-W_{\mathrm{ext}}\right)}{m_e}}}=1,12\cdot 10^6~\mathrm{m\cdot s^{-1}}$

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Lumière matière : correction exercice 2 Les quatre transitions

a. La transition est le passage de l’état atomique Au à l’état ionisé $\mathrm{Au^+}$ séparé de son électron.

C’est l’effet photoélectrique.

L’énergie d’ionisation correspond au travail d’extraction

$W_{\mathrm{ext}}=1,48\cdot 10^{-18}~\mathrm{J}$

La fréquence minimale du photon est égale à la fréquence-seuil

$\nu_s=\displaystyle{\frac{W_{\mathrm{ext}}}{h}=2,23\cdot 10^{15}~\mathrm{Hz}}$

On en déduit la longueur d’onde minimale

$\lambda=\displaystyle{\frac{c}{\nu_s}=134~\mathrm{nm}}$ dans le domaine ultraviolet.

b. La transition est le passage de la bande de valence à la bande de conduction.

C’est l’effet photovoltaïque.

L’énergie minimale du photon est égale au gap énergétique entre le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction

$\Delta E=-15-(-20)=5~\mathrm{eV}=8,0\cdot 10^{-19}~\mathrm{J}$

On en déduit la longueur d’onde minimale
$\lambda=\displaystyle{\frac{hc}{\Delta E}=248~\mathrm{nm}}$
dans le domaine ultraviolet.

c. La transition est un changement du niveau d’énergie de l’atome. Il s’agit de spectroscopie UV-visible par absorption.

La longueur d’onde correspondante vaut

$\lambda=\displaystyle{\frac{hc}{E_4-E_2}=487~\mathrm{nm}}$ dans le domaine visible (raie bleue).

d. La transition est une excitation vibrationnelle. Il s’agit de spectroscopie IR.

La longueur d’onde correspondante vaut

$\lambda=\displaystyle{\frac{hc}{\mathcal{E}_v}=5,88~\mathrm{\mu m}}$ dans le domaine infrarouge

et $\sigma=1700\cdot 10^{2}\mathrm{m^{-1}}=1700~\mathrm{cm^{-1}}$

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