QCM N° 03 Sources de lumière, couleurs et photons

QCM N° 03

Pour s'auto-évaluer

Sources de lumières,

couleurs et photons

	QCM N° 03 Sources de lumières, couleurs et photons. AIDE Pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).
	Énoncé	A	B	C	R
1	Quelle (s) spectre(s) correspond(ent) à la lumière d’une source polychromatique ?				BC
2	Les radiations infrarouges ont, dans le vide, des longueurs d’onde λ :	Inférieures à 400 nm	Supérieures à 800 nm	Inférieures à celles des radiations rouges	B
3	Une source froide telle qu’une DEL émet de la lumière :	Sans échauffement particulier	Par absorption de photons	Par émission de photons	AC
4	Plus un corps est chaud, plus son spectre s’enrichit de radiations :	Infrarouges	De grandeurs longueurs d’onde	De courtes longueurs d’ondes	C
5	On donne la loi de Wien : La radiation émise avec un maximum d’intensité par une source lumineuse a pour longueur d’onde dans le vide λ _max = 700 nm. Sa température de surface est d’environ :	3,86 x 10³° C	4,40 x 10³° C	4,13 x 10⁵° C	A
6	Le spectre ci-dessous a été obtenu avec du sodium. La présence de la raie traduit :	L’absorption de photons	L’émission d’électrons	L’émission de photons	C
7	L’énergie d’un photon de longueur d’onde dans le vide λ = 450 nm vaut : On donne : c = 3,00 × 10 ⁸m / s et La constante de Planck : h = 6,63 × 10 ^{– 34}J . s	4,42 × 10 ^{– 19}J	4,42 × 10 ^{– 28}J	4,42 × 10 ^{– 18}J	A
8	On donne une partie du diagramme de niveaux d’énergie du mercure. Les atomes de mercure pris dans leur état fondamental peuvent absorber un photon d’énergie :	4,67 eV	3,73 eV	2 ,04 eV	A
9	Quelle est la longueur d’onde λ d’un photon d’énergie 4,67 eV ? 1 eV = 1,6 × 10 ^{– 19}J	405 nm	266 nm	2,66 × 10 ^{– 7}m	BC
10	À partir du profil spectral du Soleil, la loi de Wien permet de connaître :	Sa température de surface	La composition de son atmosphère	Sa masse	A
11	Les entités chimiques présentes dans l’atmosphère du Soleil sont identifiées à partir :	De sa température	Des raies noires du spectre solaire	Des minima d’intensité lumineuse de son profil spectral	BC
12	Une lumière colorée :	Est toujours monochromatique	Est toujours polychromatique	Peut être l’une ou l’autre selon le cas	C
13	Les radiations ultraviolettes ont une longueur d’onde dans le vide :	Inférieure à 400 nm	Supérieure à 800 nm	Comprise entre 400 nm et 800 nm	A
14	Deux lumières colorées qu’un observateur perçoit identiques :	Ont obligatoirement des spectres identiques	Peuvent avoir des spectres différents	Ont obligatoirement la même longueur d’onde	B
15	La loi de Wien montre que si la température d’un corps augmente, la longueur d’onde du maximum d’émission :	Augmente	Diminue	Ne varie pas	B
16	Si la température d’un corps augmente, son spectre d’émission :	S’agrandit vers les courtes longueurs d’onde	S’agrandit vers les grandes longueurs d’onde	N’est pas modifié	A
17	La couleur d’un corps chauffé :	Dépend de l’ensemble des radiations qu’il émet	Dépend exclusivement de la longueur d’onde de son maximum d’émission	Passe du jaune au rouge si sa température augmente	A
18	La fréquence d’une radiation de longueur d’onde dans le vide λ = 550 nm a pour valeur :	5,45 × 10⁵Hz	5,45 × 10¹⁴Hz	3,61 × 10^–19Hz	B
19	L’unité S.I de la constante de Planck est :	J / s	J . s	s / J	B
20	L’énergie d’un photon d’une radiation de lumière violette :	Est supérieure à celle d’une radiation de lumière rouge	Est supérieure à celle d’une radiation UV	Augmente avec l’intensité de la source	A
21	D’après le diagramme d’énergie de l’atome d’hydrogène donné ci-dessous, l’énergie d’un atome d’hydrogène, initialement dans son état fondamental, peut être modifiée par absorption D’un photon d’énergie :	10,4 eV	12,1 eV	5,1 eV	B
22	Les raies sombres du spectre solaire sont dues essentiellement à l’absorption de la lumière par :	La photosphère	La chromosphère	L’atmosphère terrestre	B

Questionnaire a été réalisé avec Questy

Pour s'auto-évaluer

Essentiel :

► Source polychromatique :

- Une lumière polychromatique est une lumière constituée de plusieurs couleurs ou radiations.

- La lumière blanche est constituée de plusieurs couleurs ou radiations : c’est une lumière polychromatique.

► Source monochromatique :

- Une lumière monochromatique est une lumière constituée d’une seule couleur ou radiation.

- Elle est caractérisée par:

- Sa fréquence ν (en Hz) ou sa période T (en s).

- Sa longueur d’onde dans le vide λ₀.

- La lumière produite par un laser est constituée d’une seule radiation, elle est monochromatique.

► Radiations infrarouges :

- Les radiations infrarouges ont, dans le vide, des longueurs d’onde supérieures à 800 nm : λ₀ > 800 nm.

► Les radiations ultraviolettes :

- Les radiations ultraviolettes ont une longueur d’onde dans le vide inférieure à 400 nm : λ₀ < 400 nm.

► Spectre d’émission :

- Un spectre d’émission est un spectre produit par la lumière directement émise par une source.

- Un spectre lumineux est la figure obtenue par décomposition d’une lumière complexe en ses radiations lumineuses.

- Les spectres continus d’origine thermique.

- Exemples : la lampe à incandescence dont on augmente la valeur de la tension.

- Tout corps chauffé à une température suffisante émet de la lumière.

- Le spectre de la lumière émise par un corps chauffé est un spectre d’origine thermique.

- Le corps peut être un solide, un liquide que l’on chauffe ou un gaz fortement comprimé.

► Les spectres d’origine thermique.

- Les spectres d’origine thermique sont des spectres continus.

- Le spectre évolue avec la température.

- Lorsque la température augmente, le spectre devient de plus en plus lumineux et s’enrichit de couleurs vertes, bleues puis violettes.

- Il s’étale vers les violets et ultraviolets. Il s‘étale vers les courtes longueurs d’onde.

Les spectres d’origine thermique

► Les spectres de raies.

- Exemple : la lampe à vapeur de mercure.

- La lampe contient des atomes de mercure sous faible pression. On excite les atomes de mercure grâce à des décharges électriques.

- Observations : le spectre obtenu est discontinu. Il est constitué d’un nombre limité de radiations.

- Conclusion : un gaz, à faible pression et à température élevée, émet une lumière constituée d’un nombre limité de radiations. On obtient un spectre de raies.

- Le spectre obtenu est caractéristique des atomes du gaz qui émet les radiations.

- Un spectre de raies constitue la signature d’un élément chimique et révèle sa présence. Il permet d’identifier une entité chimique (atome ou ion).

► Les spectres d’absorption.

- Un spectre d’absorption est un spectre obtenu en analysant la lumière blanche qui a traversé une substance.

► Spectres de raies d’absorption.

- Un gaz, à basse pression et à basse température, traversé par une lumière blanche, donne un spectre d’absorption.

- Ce spectre est constitué de raies noires se détachant sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche.

- Ce spectre est caractéristique de la nature chimique d’un atome ou d’un ion.

- Exemple : spectre de raies d’absorption du mercure :

Comparaisons des spectres d'absorption et d'émission

► Spectre d’émission d’une entité chimique :

- Le spectre d’émission d’une entité chimique est constitué de raies colorées sur fond noir. On est en présence d’un spectre de raies.

- Spectre de la lampe à vapeur de sodium :

- Le doublet du sodium : radiations jaunes de longueur d’onde voisine de 590 nm (en réalité, il s’agit d’un doublet : 589,0 nm et 589,6 nm)

► Loi de Wien :

- Un corps chaud émet de la lumière dont le spectre et le profil spectral dépendent de la température.

- En physique, un « corps noir » est un objet idéal émettant un rayonnement qui n’est fonction que de sa température.

- La loi de Wien relie la température θ de ce corps noir et la longueur d’onde λ _max pour laquelle le profil spectral de la lumière qu’il émet passe par un maximum.

- La température θ s’exprime en degré Celsius et la longueur d’onde λ _max en nm.

- Ces deux grandeurs sont liées par la loi de Wien :

-

- Cette loi permet d’évaluer la température d’une étoile à partir de son profil spectral.

- Sa température de surface est d’environ :

-

► La chromosphère :

- On appelle chromosphère l’atmosphère située autour du Soleil. Son épaisseur est de l’ordre de 2000 km environ.

- Cette atmosphère est constituée de gaz sous faible pression avec des régions où la température atteint 10⁴ ° C.

► Spectre de la lumière émise par le soleil :

- C’est un spectre continu présentant des raies d'absorptions.

- L’atmosphère du Soleil contient des éléments chimiques.

- La partie haute de l’atmosphère absorbe une partie de la lumière émise dans la partie basse.

- Il en résulte des raies d’absorption dans le spectre continu.

- Ce sont les raies d’absorption des éléments chimiques présents dans l’atmosphère du Soleil.

- L’existence des raies d’absorption est dû à la présence d’une atmosphère autour du Soleil, appelée chromosphère.

- Le gaz présent est principalement de l’hydrogène.

- On trouve aussi des ions He⁺, Ca²⁺, Fe²⁺, …

► Propriétés des ondes lumineuses.

- Les ondes lumineuses possèdent :

- Une vitesse de propagation ou célérité qui dépend du milieu de propagation.

- La lumière se déplace dans le vide à la vitesse : c = 3,00 x 10⁸m / s .

- Dans un milieu transparent d’indice n :

- avec n > 1.

- Une périodicité temporelle T, la période en seconde s.

- Une périodicité spatiale λ, la longueur d’onde en mètre m.

- à un instant donné, les signaux sont dans le même état vibratoire s’ils sont placés à des distances d, d + λ, d + n.λ de la source.

► Relation fondamentale.

- ;

- λ est la longueur d’onde en m

- v est la vitesse de l’onde dans le milieu de propagation et T la période en s.

- ν est la fréquence en Hz

- Remarque :

- dans le vide : λ₀ = c . T

- Dans le milieu d’indice n,

-

- La longueur d’onde dépend du milieu de propagation.

- La période et de ce fait la fréquence ne dépendent pas du milieu de propagation.

- La fréquence ν est une grandeur caractéristique de la radiation lumineuse.

► Énergie d’un photon :

- E = h . ν ou

- Pour une onde électromagnétique de fréquence ν et de longueur d’onde λ dans le vide

- La grandeur h est la constante de Planck : h = 6,63 × 10^{– 34}J.s.

- La grandeur c représente la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide :

- c = 3,00 × 10⁸m / s

- L’énergie E s’exprime en joule.

- Comme les valeurs des énergies des atomes, exprimées en joule (J) sont extrêmement faibles,

- on préfère utiliser le plus souvent comme unité d’énergie, l’électron-volt (eV)

- Correspondance : 1 eV = 1,6 × 10^{–

19}J

- L’énergie d’un photon de longueur d’onde dans le vide λ = 450 nm vaut :

-

► Variations d’énergie d’un atome :

- En 1913, BOHR énonce les postulats suivants :

- Les variations d’énergie d’un atome sont quantifiées.

- L’atome ne peut exister que dans certains états d’énergie ou niveaux d’énergie bien définis.

- Un photon de fréquence ν est émis lorsque l’atome effectue une transition d’un niveau d’énergie E_p vers un niveau inférieur E_n tel que :

- Les variations d’énergie d’un atome sont quantifiées.

- L’atome ne peut exister que dans certains états d’énergie ou niveaux d’énergie bien définis.

- Un photon de fréquence ν est émis lorsque l’atome effectue une transition d’un niveau d’énergie E_p vers un niveau inférieur E_n tel que :

- E_p - E_n = h . ν

-

► Longueur d’onde d’un photon :

- E = h . ν

-

► Émission d’un photon :

- Un photon de fréquence ν est émis lorsque l’atome effectue une transition d’un niveau d’énergie E_p vers un niveau inférieur E_n tel que :

Émission d’un photon

► Absorption d’un photon :

- L’absorption d’énergie lumineuse par un atome ne peut se faire que si l’énergie du photon permet une transition d’un niveau E_nà un niveau supérieur E_p tel que :

Absorption d’un photon

- E_p - E_n = h . ν

- Un atome ne peut absorber que les radiations qu’il est capable d’émettre.

► Relation fondamentale :

- La longueur d’onde dans le vide d’une radiation lumineuse est donnée par la relation :

-

► Source polychromatique :

- Une lumière polychromatique est une lumière constituée de plusieurs couleurs ou radiations.

- La lumière blanche est constituée de plusieurs couleurs ou radiations : c’est une lumière polychromatique.

► Source monochromatique :

- Une lumière monochromatique est une lumière constituée d’une seule couleur ou radiation.

- Elle est caractérisée par:

- Sa fréquence ν (en Hz) ou sa période T (en s).

- Sa longueur d’onde dans le vide λ0.

- La lumière produite par un laser est constituée d’une seule radiation, elle est monochromatique.

► Radiations infrarouges :

- Les radiations infrarouges ont, dans le vide, des longueurs d’onde supérieures à 800 nm : λ0 > 800 nm.

► Les radiations ultraviolettes :

- Les radiations ultraviolettes ont une longueur d’onde dans le vide inférieure à 400 nm : λ0 < 400 nm.

► Spectre d’émission :

- Un spectre d’émission est un spectre produit par la lumière directement émise par une source.

- Un spectre lumineux est la figure obtenue par décomposition d’une lumière complexe en ses radiations lumineuses.

- Les spectres continus d’origine thermique.

- Exemples : la lampe à incandescence dont on augmente la valeur de la tension.

- Tout corps chauffé à une température suffisante émet de la lumière.

- Le spectre de la lumière émise par un corps chauffé est un spectre d’origine thermique.

- Le corps peut être un solide, un liquide que l’on chauffe ou un gaz fortement comprimé.

► Les spectres d’origine thermique.

- Les spectres d’origine thermique sont des spectres continus.

- Le spectre évolue avec la température.

- Lorsque la température augmente, le spectre devient de plus en plus lumineux et s’enrichit de couleurs vertes, bleues puis violettes.

- Il s’étale vers les violets et ultraviolets. Il s‘étale vers les courtes longueurs d’onde.

► Les spectres de raies.

- Exemple : la lampe à vapeur de mercure.

- La lampe contient des atomes de mercure sous faible pression. On excite les atomes de mercure grâce à des décharges électriques.

- Observations : le spectre obtenu est discontinu. Il est constitué d’un nombre limité de radiations.

- Conclusion : un gaz, à faible pression et à température élevée, émet une lumière constituée d’un nombre limité de radiations. On obtient un spectre de raies.

- Le spectre obtenu est caractéristique des atomes du gaz qui émet les radiations.

- Un spectre de raies constitue la signature d’un élément chimique et révèle sa présence. Il permet d’identifier une entité chimique (atome ou ion).

► Les spectres d’absorption.

- Un spectre d’absorption est un spectre obtenu en analysant la lumière blanche qui a traversé une substance.

► Spectres de raies d’absorption.

- Un gaz, à basse pression et à basse température, traversé par une lumière blanche, donne un spectre d’absorption.

- Ce spectre est constitué de raies noires se détachant sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche.

- Ce spectre est caractéristique de la nature chimique d’un atome ou d’un ion.

- Exemple : spectre de raies d’absorption du mercure :

► Spectre d’émission d’une entité chimique :

- Le spectre d’émission d’une entité chimique est constitué de raies colorées sur fond noir. On est en présence d’un spectre de raies.

- Spectre de la lampe à vapeur de sodium :

- Le doublet du sodium : radiations jaunes de longueur d’onde voisine de 590 nm (en réalité, il s’agit d’un doublet : 589,0 nm et 589,6 nm)

► Loi de Wien :

- Un corps chaud émet de la lumière dont le spectre et le profil spectral dépendent de la température.

- En physique, un « corps noir » est un objet idéal émettant un rayonnement qui n’est fonction que de sa température.

- La loi de Wien relie la température θ de ce corps noir et la longueur d’onde λ max pour laquelle le profil spectral de la lumière qu’il émet passe par un maximum.

- La température θ s’exprime en degré Celsius et la longueur d’onde λ max en nm.

- Ces deux grandeurs sont liées par la loi de Wien :

-

- Cette loi permet d’évaluer la température d’une étoile à partir de son profil spectral.

- Sa température de surface est d’environ :

-

► La chromosphère :

- On appelle chromosphère l’atmosphère située autour du Soleil. Son épaisseur est de l’ordre de 2000 km environ.

- Cette atmosphère est constituée de gaz sous faible pression avec des régions où la température atteint 104 ° C.

► Spectre de la lumière émise par le soleil :

- C’est un spectre continu présentant des raies d'absorptions.

- L’atmosphère du Soleil contient des éléments chimiques.

- La partie haute de l’atmosphère absorbe une partie de la lumière émise dans la partie basse.

- Il en résulte des raies d’absorption dans le spectre continu.

- Ce sont les raies d’absorption des éléments chimiques présents dans l’atmosphère du Soleil.

- L’existence des raies d’absorption est dû à la présence d’une atmosphère autour du Soleil, appelée chromosphère.

- Le gaz présent est principalement de l’hydrogène.

- On trouve aussi des ions He+, Ca2+, Fe2+, …

► Propriétés des ondes lumineuses.

- Les ondes lumineuses possèdent :

- Une vitesse de propagation ou célérité qui dépend du milieu de propagation.

- La lumière se déplace dans le vide à la vitesse : c = 3,00 x 108 m / s .

- Dans un milieu transparent d’indice n :

- avec n > 1.

- Une périodicité temporelle T, la période en seconde s.

- Une périodicité spatiale λ, la longueur d’onde en mètre m.

- à un instant donné, les signaux sont dans le même état vibratoire s’ils sont placés à des distances d, d + λ, d + n.λ de la source.

► Relation fondamentale.

- ;

- λ est la longueur d’onde en m

- v est la vitesse de l’onde dans le milieu de propagation et T la période en s.

- ν est la fréquence en Hz

- Sa longueur d’onde dans le vide λ₀.

- Les radiations infrarouges ont, dans le vide, des longueurs d’onde supérieures à 800 nm : λ₀ > 800 nm.

- Les radiations ultraviolettes ont une longueur d’onde dans le vide inférieure à 400 nm : λ₀ < 400 nm.

- La loi de Wien relie la température θ de ce corps noir et la longueur d’onde λ _max pour laquelle le profil spectral de la lumière qu’il émet passe par un maximum.

- La température θ s’exprime en degré Celsius et la longueur d’onde λ _max en nm.

- Cette atmosphère est constituée de gaz sous faible pression avec des régions où la température atteint 10⁴ ° C.

- On trouve aussi des ions He⁺, Ca²⁺, Fe²⁺, …

- La lumière se déplace dans le vide à la vitesse : c = 3,00 x 10⁸m / s .

- dans le vide : λ₀ = c . T

- La grandeur h est la constante de Planck : h = 6,63 × 10^{– 34}J.s.

- c = 3,00 × 10⁸m / s

- Correspondance : 1 eV = 1,6 × 10^{–

19}J

- Un photon de fréquence ν est émis lorsque l’atome effectue une transition d’un niveau d’énergie E_p vers un niveau inférieur E_n tel que :

- Un photon de fréquence ν est émis lorsque l’atome effectue une transition d’un niveau d’énergie E_p vers un niveau inférieur E_n tel que :

- E_p - E_n = h . ν

- Un photon de fréquence ν est émis lorsque l’atome effectue une transition d’un niveau d’énergie E_p vers un niveau inférieur E_n tel que :

- L’absorption d’énergie lumineuse par un atome ne peut se faire que si l’énergie du photon permet une transition d’un niveau E_nà un niveau supérieur E_p tel que :

- E_p - E_n = h . ν