SPECTROSCOPIE OPTIQUE : CAS ATOMIQUE
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1. Quelle nergie est mesur e par l chelle verticale du logiciel de simulation Par l chelle horizontale 2 Une radiation correspond une diff rence de niveaux d nergie Cr er deux autres niveaux et une transition entre eux correspondant la m me raie de couleur bleue Modifier l nergie d un des deux niveaux et observer la modification de la longueur d onde de la raie de l ultra violet l infrarouge Noter les valeurs des nergies de la transition et des niveaux lorsque la raie obtenue est de couleur rouge V rifier que la raie affich e par le logiciel correspond bien la diff rence d nergie des niveaux correspondant la transition 3 Pr ciser en quelques phrases le principe de fonctionnement du logiciel 4 Cas de l hydrog ne avec N niveaux d nergie on peut obtenir C transitions Construire le spectre d un atome imaginaire poss dant 5 niveaux d nergie Combien de raies observe t on dans le spectre calcul en supposant que toutes les transitions sont permises IIL ACTIVIT 2 Vers un mod le de l atome d hydrog ne 35 min Cette seconde activit vise vous aider construire les niveaux d nergie de l atome d hydrog ne 1 Par d finition les raies d une m me s rie correspondent des transitions vers un m me niveau inf rieur Montrer que l on peut trouver un tel ensemble de niveaux permettant de reproduire la partie visible appel e s rie visible du spectre d2. mission de l hydrog ne 2 Avec ce premier ensemble de niveaux retrouver la premi re s rie infrarouge du spectre d mission de l hydrog ne 3 Il n est pas possible de retrouver la s rie ultra violette sans ajouter de niveaux Compl ter l ensemble de niveaux pour l obtenir Reproduire le sch ma des niveaux ou faire une copie d cran Attention il n y a qu une s rie UV pour l hydrog ne 4 La formule de Balmer Rydberg du spectre visible de l hydrog ne En 1885 Balmer avait tudi le spectre visible de l hydrog ne Vers 1900 Rydberg a trouv une relation math matique pour les raies de cette s rie 1 1 Pour chaque valeur de p calculer chaque terme de la relation et identifier E R Ca 2 l nergie des raies calcul es avec celles observ es P avec p 3 4 et R 13 6 eV Relation de Balmer Rydberg Le fait d avoir reproduit le spectre d mission implique t il que les niveaux d nergie soient fix s Justifier la r ponse Le mod le th orique de Bohr 25 min 1 L nergie d ionisation de l atome d hydrog ne Pour ioniser un atome d hydrog ne pris dans son tat fondamental il faut lui apporter une nergie minimale de 13 6 eV On consid re que l nergie nulle de l atome correspond au cas o l lectron sans vitesse n est plus li au noyau Cette hypoth se fixe le niveau fondamental 13 6 eV D duire graphiquement l nergie des tats excit s Que se passe t il si on envoie
3. UE chim 101 SPECTROSCOPIE OPTIQUE CAS ATOMIQUE L activit propos e se d compose en deux temps e Travail Exp rimental 1h30 e Travail sur Mod le 2h D termination des niveaux d nergie de l hydrog ne atomique partir de son spectre d mission OBJECTIFS e tablir les premi res hypoth ses concernant les niveaux d nergie de l hydrog ne atomique partir de l observation de son spectre d mission TP e Retrouver le sch ma des niveaux d nergie de l hydrog ne atomique Comprendre comment ce mod le permet d interpr ter le spectre d mission TM DOCUMENTS Notice d emploi de la lampe Balmer Reproduction des spectres d mission de l hydrog ne atomique et de quelques gaz rares Reproduction du spectre d mission d un tube d clairage Tables des longueurs d onde des radiations visibles mises par l hydrog ne atomique l oxyg ne atomique le sodium le mercure page de pr sentation du monochromateur TRAVAIL PREPARATOIRE A faire individuellement et rendre votre enseignant en d but de s ance Certaines r ponses se trouvent dans les documents sur le serveur Internet 1 Revoir le chapitre Quantification de l nergie du programme de Terminale S en particulier les d finitions des termes tat fondamental tat excit transition nergie d ionisation 2 Revoir la relation de Planck Einstein 3 Qu appelle t on une lumi re blanche
4. LE D TERMINATION DES NIVEAUX D NERGIE DE L HYDROG NE ATOMIQUE I LA QUESTION L activit qui vous est propos e ici va vous guider dans l laboration d un mod le quantique simple de l atome d hydrog ne permettant dans un premier temps d interpr ter le spectre d mission visible Des hypoth ses suppl mentaires vous permettront d affiner le mod le qui pourra alors tre utilis pour interpr ter les ph nom nes d mission d absorption et d ionisation Un logiciel de mod lisation vous aidera dans cette laboration Lorsqu on provoque une d charge lectrique dans une ampoule enfermant un gaz celui ci peut mettre de la lumi re La d composition de cette lumi re montre que son spectre est compos de raies fines Depuis 1905 on sait qu toute radiation de longueur d onde correspond des photons d nergie E hc h est la constante de Planck et c la c l rit de la lumi re dans le vide nm T T T T T T 2500 2000 1500 1000 500 50 infrarouge visible ultra violet Partie du spectre reconstitu avec deux chelles en correspondance longueur d onde en nm et nergie en lectron volts eV les raies infrarouges et ultraviolettes sont invisibles l oeil elles sont ici trac es en trait gris L id e de Bohr vers 1913 a alors t la suivante si la lumi re est mise avec des E E longueurs d onde pr cises c est que les changements d nergie de l atome ne sont pas Sup ei quelc
5. linux login et mot de passe S lectionner le logiciel Op ra navigateur Chapeau Outils Internet Autres Op ra Se connecter sur le serveur formation http formation etud u psud fr S lectionner le document TD sur Mod le Chimie Travaux pratiques TP SISM gt Spectroscopie d mission hydrog ne TD sur mod le MANIPULER LES NIVEAUX S lectionner un niveau Click bouton gauche S lectionner plusieurs niveaux MAJ Click bouton gauche D placement d un niveau forte amplitude S lection partie gauche de l chelle apparition poign e jaune niveau en pointill d placement souris D placement d un niveau moyenne amplitude 0 5 eV S lection MAJ fl che D placement d un niveau faible amplitude 0 005 eV S lection fl che D placement de plusieurs niveaux S lection multiple d placement E Suppression d un niveau S lectionner le niveau partie gauche de l chelle click bouton ci contre MANIPULER LES RAIES DU SPECTRE SIMUL Cr er une raie s lectionner les deux niveaux entre lesquels se fera la transition donnant la raie les niveaux s lectionn s sont rouges La transition est symbolis e par une fl che et la raie correspondante appara t sur le spectre simul S lectionner une raie S lectionner la fl che correspondante par click bouton gauche D s lectionner une raie appuyer sur la barre Espace parfois utiliser la combinaison barre Espace puis s lectio
6. par Jobin amp Yvon Entrance slit Exit slit UE chim 101 IL MANIPULATION 1 Observez la lumi re ambiante avec le prisme Pour avoir une lumi re suffisante pointez vers l ext rieur Notez les observations et les explications que vous proposez 2 Observez l mission d une lampe mercure l aide du prisme Notez les observations et les explications que vous proposez 3 Observez l mission du tube d clairage de la salle l aide du prisme Notez les observations et les explications que vous proposez 4 Observez l mission de la lampe Balmer l il nu Notez les observations et les explications que vous proposez 5 Observez l mission de la lampe Balmer l aide du prisme Notez vos observations et les explications que vous proposez 6 Observez l mission de la lampe Balmer l aide du monochromateur Reproduisez le spectre obtenu Notez le nombre les couleurs des raies les nergies et longueurs d onde des radiations mises I QUESTIONS 1 Quels sont les atomes metteurs dans la lampe Balmer 2 Pourquoi qualifie t on la lampe Balmer de lampe hydrog ne 3 Lorsque l on utilise le monochromateur vous n observez plus de fond continu Pourquoi 4 Proposez des sch mas possibles des niveaux d nergie de l atome d hydrog ne en indiquant par des fl ches les pertes d nergie subies par l atome lorsqu il met la lumi re que vous observez TRAVAIL SUR MOD
7. un photon d nergie sup rieure 13 6 eV 2 Le mod le th orique de Bohr Par des consid rations th oriques Bohr arrive la conclusion que les nergies des diff rents tats possibles suivent une relation du type R E z R constante de Rydberg R 13 6 eV Que repr sente n Quelle est la relation entre n et p Que repr sente la limite n gt Compl ter votre sch ma en attribuant chaque niveau la valeur de n correspondante V rifier que les nergies des tats calcul es avec le mod le de Bohr permettent de reproduire le spectre d mission de l hydrog ne UE chim 101 IV VALIDATION Avez vous tout compris 30 min La validation vise vous aider dans la synth se des activit s pr c dentes Les r ponses doivent tre argument es 1 Faites un sch ma r sumant les tapes de la d termination des niveaux d nergie de l hydrog ne effectu e dans l activit 2 2 En utilisant le mod le de Bohr donner l nergie et la longueur d onde de la raie la moins nerg tique de la seconde s rie infrarouge Peut on la visualiser sur le simulateur 3 L observation du spectre d mission de l hydrog ne permet elle d tablir les niveaux d nergie de l hydrog ne 4 La connaissance des niveaux d nergie de l hydrog ne permet elle de pr voir l nergie des raies d mission MODE D EMPLOI DE L APPLIQUETTE BOHR LANCEMENT DE L APPLIQUETTE Se connecter sur
8. 4 Qu appelle t on un spectre de raies 5 Que signifie une mission continue Une mission discr te 6 Qu est ce qu un r seau Quelle est son utilit 7 Comment fonctionne un tube d clairage TRAVAIL EXPERIMENTAL OBSERVATION DES RAIES MISES PAR LES ATOMES I PR SENTATION DU MAT RIEL Vous disposez pour ce travail de diff rentes lampes dont la lampe dite Balmer d un prisme muni d un syst me de vis e et d un monochromateur 1 Lampe Balmer Pour plus d explication on consultera la notice de la lampe La lampe Balmer est un tube d charge contenant de la vapeur d eau La d charge lectrique 1500 Volts 50 mA provoque la dissociation des mol cules d eau en atomes d hydrog ne en groupements hydroxyles et en atomes d oxyg ne Les fragments obtenus ont galement absorb de l nergie ils vont alors perdre cette nergie en mettant de la lumi re 2 Monochromateur Un monochromateur est un instrument permettant partir d un faisceau incident polychromatique de s lectionner une radiation de longueur d onde particuli re Le faisceau incident est diffract par un r seau et un miroir permet de focaliser la radiation d sir e sur la fente travers laquelle l observateur regarde la lumi re mise Un affichage de longueur d onde solidaire de la position du r seau permet de conna tre la longueur d onde de la radiation observ e Nous utilisons un monochromateur H20 fabriqu
9. n de la fl che plusieurs fois Supprimer une raie S lectionner puis d placer la fl che correspondante droite de l chelle
10. onques mais au contraire bien d finis comme s il y avait des niveaux d nergie dans Fe l atome L nergie est dite alors quantifi e La perte d nergie en passant d un niveau sup rieur un niveau inf rieur doit alors En correspondre l nergie d un rayonnement de longueur d onde d termin e Il reste alors trouver quels sont les niveaux d nergie de l atome d hydrog ne IL ACTIVIT 1 Faire un premier diagramme d nergie 20 min L activit repose sur l utilisation d un logiciel de mod lisation qui vous permet de cr er des niveaux et des transitions Attention ce logiciel ne contient pas le mod le de Bohr c est bien vous de reconstituer les bons niveaux UE chim 101 Cette premi re activit vise vous familiariser avec le germe de mod le mod le nergie quantifi e programm dans le logiciel de mod lisation 1 Des nergies de liaison discr tes et des transitions Le logiciel pr sente dans sa partie sup rieure une partie du spectre de l hydrog ne obtenu exp rimentalement et dans sa partie centrale une zone avec une chelle d nergie de l atome les valeurs sont n gatives pour indiquer une nergie de liaison lectron noyau Cr er deux niveaux et une transition entre eux correspondant une raie de couleur bleue Observer alors l apparition d une raie dans le spectre calcul plac sous le spectre exp rimental Noter la valeur de l nergie de la transition et des niveaux
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