Physique-Chimie · term

Introduction à la physique quantique : photons et niveaux d'énergie

Ce que tu dois retenir

Chapitre 1 — Le photon : un quantum de lumière

La lumière est constituée de photons dont l'énergie est quantifiée : E = hν.

Chapitre 2 — Les niveaux d'énergie de l'atome

Les échanges d'énergie entre lumière et matière se font par sauts quantifiés entre niveaux d'énergie.

Chapitre 3 — Absorption et émission de photons

Un photon n'est absorbé ou émis que si son énergie correspond exactement à un écart entre deux niveaux.

Chapitre 4 — Du laboratoire au quotidien

La physique quantique n'est pas abstraite : elle éclaire notre quotidien, des LED aux lasers.

Teste-toi

1. Quelle est l'unité de la constante de Planck h ?

AA. J·s
BB. J/s
CC. eV
DD. Hz
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Réponse : A — A. J·s

La constante de Planck s'exprime en joule-seconde (J·s), car E = hν avec E en joules et ν en s⁻¹.

2. L'énergie d'un photon de fréquence ν est donnée par :

AA. E = h/ν
BB. E = hν
CC. E = ν/h
DD. E = hν²
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Réponse : B — B. E = hν

La relation fondamentale est E = hν, où h est la constante de Planck.

3. Un atome passe d'un niveau d'énergie -3,4 eV à -13,6 eV. Quelle est l'énergie du photon émis ?

AA. 10,2 eV
BB. 17,0 eV
CC. 3,4 eV
DD. 13,6 eV
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Réponse : A — A. 10,2 eV

ΔE = |-13,6 - (-3,4)| = 10,2 eV. L'atome perd de l'énergie, donc un photon de 10,2 eV est émis.

4. Quelle condition est nécessaire pour qu'un atome absorbe un photon ?

AA. L'énergie du photon doit être supérieure à l'écart entre niveaux
BB. L'énergie du photon doit être exactement égale à l'écart entre deux niveaux
CC. L'énergie du photon doit être inférieure à l'écart
DD. Aucune condition
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Réponse : B — B. L'énergie du photon doit être exactement égale à l'écart entre deux niveaux

L'absorption n'a lieu que si l'énergie du photon correspond exactement à la différence entre deux niveaux d'énergie de l'atome.

5. Le spectre d'émission d'un atome est constitué de raies discrètes car :

AA. les niveaux d'énergie sont continus
BB. les photons ont des énergies quelconques
CC. les niveaux d'énergie sont quantifiés
DD. la lumière est une onde
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Réponse : C — C. les niveaux d'énergie sont quantifiés

Les niveaux d'énergie étant quantifiés, seules certaines transitions sont possibles, produisant des raies à des fréquences précises.

6. Une LED émet une lumière rouge. Si on augmente l'écart d'énergie du matériau, la lumière émise aura tendance à devenir :

AA. plus rouge
BB. plus bleue
CC. infrarouge
DD. inchangée
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Réponse : B — B. plus bleue

Un plus grand écart d'énergie correspond à des photons de fréquence plus élevée, donc une couleur décalée vers le bleu.

7. L'émission stimulée est à la base du fonctionnement :

AA. d'une lampe à incandescence
BB. d'un laser
CC. d'un panneau photovoltaïque
DD. d'un prisme
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Réponse : B — B. d'un laser

Le laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) repose sur l'émission stimulée pour produire un faisceau cohérent.

8. Un photon a une longueur d'onde de 500 nm. Sa fréquence est environ :

AA. 6,0 × 10¹⁴ Hz
BB. 3,0 × 10⁸ Hz
CC. 1,5 × 10¹⁵ Hz
DD. 5,0 × 10¹⁴ Hz
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Réponse : A — A. 6,0 × 10¹⁴ Hz

ν = c/λ = 3,00 × 10⁸ / 500 × 10⁻⁹ = 6,0 × 10¹⁴ Hz.

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