QCM : Dualité onde-particule et quantification (24 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Lorsqu’un microscope électronique à balayage est utilisé dans des conditions permettant sa résolution courante facilement atteignable, quelle résolution faut-il prévoir ?

De 0,1 aˋ 0,2 mm0{,}1\text{ à }0{,}2\ \mathrm{mm}.
De 0,1 aˋ 0,2 μm0{,}1\text{ à }0{,}2\ \mathrm{\mu m}.
De 2×10−10 aˋ 2×10−9 m2\times10^{-10}\text{ à }2\times10^{-9}\ \mathrm{m}.
De 1 aˋ 2 μm1\text{ à }2\ \mathrm{\mu m}.

De $$0{,}1\text{ à }0{,}2\ \mathrm{\mu m}$$.

Explication

Le MEB permet facilement d’atteindre une résolution de 0,10{,}1 à 0,2 μm0{,}2\ \mathrm{\mu m}. L’ordre de grandeur atomique renvoie à la longueur d’onde électronique, tandis que les valeurs en millimètres ou de 1 à 2 micromètres ne sont pas la plage donnée.

2. Dans le vide, une onde lumineuse a une longueur d’onde de 5,0×10−75{,}0 \times 10^{-7} m. Quelle fréquence obtient-on en utilisant c=3,0×108c = 3{,}0 \times 10^8 m/s et c=λνc = \lambda\nu ?

1,7×10−151{,}7 \times 10^{-15} Hz
6,0×10236{,}0 \times 10^{23} Hz
1,5×1021{,}5 \times 10^2 Hz
6,0×10146{,}0 \times 10^{14} Hz

$$6{,}0 \times 10^{14}$$ Hz

Explication

La relation donne ν=c/λ\nu = c/\lambda, donc ν=(3,0×108)/(5,0×10−7)=6,0×1014\nu = (3{,}0 \times 10^8)/(5{,}0 \times 10^{-7}) = 6{,}0 \times 10^{14} Hz. La multiplication produit une valeur en hertz incorrecte, le quotient inversé donne une très petite valeur, et l’erreur sur les unités entraîne une puissance de dix excessive.

3. Un électron passe du niveau ni=2n_i=2 au niveau nf=1n_f=1. En appliquant ΔE=B(1ni2−1nf2)\Delta E = B\left(\frac{1}{n_i^2}-\frac{1}{n_f^2}\right) avec B=2,179×10−18 JB=2{,}179\times10^{-18}\ \mathrm{J}, quelle valeur obtient-on pour ΔE\Delta E ?

−1,634×10−18 J-1{,}634\times10^{-18}\ \mathrm{J}
+1,634×10−18 J+1{,}634\times10^{-18}\ \mathrm{J}
−8,716×10−18 J-8{,}716\times10^{-18}\ \mathrm{J}
−0,750 J-0{,}750\ \mathrm{J}

$$-1{,}634\times10^{-18}\ \mathrm{J}$$

Explication

La formule donne 2,179×10−18(14−1)=−1,634×10−18 J2{,}179\times10^{-18}\left(\frac{1}{4}-1\right)=-1{,}634\times10^{-18}\ \mathrm{J}. Le signe positif vient de l’inversion de la différence, la valeur −8,716×10−18 J-8{,}716\times10^{-18}\ \mathrm{J} de l’oubli des carrés, et −0,750 J-0{,}750\ \mathrm{J} de l’omission de B.

4. Un atome possède des orbites électroniques définies. Quelle émission lumineuse le modèle de Bohr conduit-il à prévoir ?

Un continuum de longueurs d’onde, sans raies d’émission distinctes.
Des longueurs d’onde aléatoires, sans lien avec les niveaux électroniques.
Certaines longueurs d’onde, en accord avec des spectres d’émission à raies.
Une seule longueur d’onde, quelle que soit la transition électronique.

Certaines longueurs d’onde, en accord avec des spectres d’émission à raies.

Explication

Les orbites définies restreignent les transitions possibles et conduisent à l’émission de certaines longueurs d’onde, comme dans les spectres étudiés par Lyman, Paschen, Brackett et Pfund. Un spectre continu ou une émission sans lien avec les niveaux ne correspond pas à cette conséquence.

5. Quelle conception de la lumière la physique classique du XIXe siècle, notamment dans les travaux de Maxwell, a-t-elle développée ?

La lumière est décrite comme une onde dont l’énergie est quantifiée.
La lumière est décrite comme une suite de fréquences atomiques isolées.
La lumière est décrite comme un flux de quanta discrets.
La lumière est décrite comme une onde électromagnétique.

La lumière est décrite comme une onde électromagnétique.

Explication

Au XIXe siècle, les équations de l’électromagnétisme de Maxwell conduisent à décrire la lumière comme une onde. La conception corpusculaire et les quanta relèvent d’autres idées, tandis que les raies spectrales constituent un phénomène que l’optique classique ne parvenait pas à expliquer.

6. Un électron absorbe de l’énergie et passe à un niveau supérieur, puis revient à son état initial : que se produit-il lors de son retour ?

Il évacue le surplus énergétique, habituellement sous forme de photons.
Il conserve le surplus énergétique dans son niveau initial.
Il absorbe un surplus énergétique, habituellement sous forme de photons.
Il perd son énergie lors d’une collision avec le noyau.

Il évacue le surplus énergétique, habituellement sous forme de photons.

Explication

Lors du retour à l’état initial, l’électron évacue le surplus énergétique, généralement sous forme de photons. L’absorption correspond au passage vers un niveau supérieur, tandis que le modèle ne décrit pas ce retour comme une collision avec le noyau.

7. Pour un électron, une mesure rend l’incertitude sur la position particulièrement faible. Quelle conséquence la relation d’incertitude impose-t-elle à l’incertitude sur sa quantité de mouvement ?

Elle doit rendre leur produit exactement égal à h4π\frac{h}{4\pi}.
Elle doit être suffisamment grande pour que leur produit soit au moins h4π\frac{h}{4\pi}.
Elle doit être évaluée comme l’incertitude sur la vitesse, sans lien avec la quantité de mouvement.
Elle doit être faible également, car les deux incertitudes diminuent ensemble.

Elle doit être suffisamment grande pour que leur produit soit au moins $$\frac{h}{4\pi}$$.

Explication

La relation ΔxΔp≥h4π\Delta x\Delta p \geq \frac{h}{4\pi} impose une borne minimale au produit des incertitudes : si Δx\Delta x est très faible, Δp\Delta p doit être assez grande pour respecter cette borne. La diminution simultanée inverse cette contrainte, la vitesse seule n’est pas la grandeur de la relation, et l’inégalité n’impose pas une égalité exacte.

8. Pour interpréter des résultats expérimentaux, une physicienne décrit un électron comme une particule et utilise aussi un modèle ondulatoire. Quelle idée de De Broglie cette approche illustre-t-elle ?

L’électron est une particule dans tous les modèles d’interprétation.
La double nature concerne la lumière, et non les particules matérielles.
L’électron alterne entre une nature ondulatoire et une nature particulaire.
L’électron possède une nature particulaire et ondulatoire selon le modèle utilisé.

L’électron possède une nature particulaire et ondulatoire selon le modèle utilisé.

Explication

La dualité de la matière signifie qu’une particule possède à la fois une nature particulaire et une nature ondulatoire, selon le modèle servant à interpréter les résultats. La réduction à une seule nature, l’alternance entre deux natures et l’attribution de cette dualité à la seule lumière sont des confusions distinctes.

9. Un appareil utilise un champ électrique oscillant pour réchauffer un plat en provoquant la réorientation de ses molécules d’eau. Quel rayonnement emploie-t-il ?

Des ultraviolets
Des ondes radio
Des infrarouges
Des micro-ondes

Des micro-ondes

Explication

Les micro-ondes concentrées peuvent réchauffer les aliments en agissant sur les molécules d’eau. Les infrarouges sont associés au rayonnement thermique, les ondes radio aux communications et à la détection, tandis que les ultraviolets sont un autre domaine du spectre.

10. Une lumière visible a une longueur d’onde de 700 nm. À quelle couleur correspond-elle dans le spectre visible, qui s’étend de 380 nm à 780 nm ?

Au violet, vers l’extrémité des petites longueurs d’onde visibles
À l’ultraviolet, au-delà de la limite violette du visible
Au rouge, vers l’extrémité des grandes longueurs d’onde visibles
À l’infrarouge, au-delà de la limite rouge du visible

Au rouge, vers l’extrémité des grandes longueurs d’onde visibles

Explication

Le rouge correspond à l’extrémité des grandes longueurs d’onde du spectre visible, dont la limite est 780 nm; 700 nm se situe dans cette partie. Le violet est associé aux petites longueurs d’onde, tandis que l’ultraviolet et l’infrarouge se trouvent de part et d’autre du domaine visible.

11. Un rayonnement de fréquence ν\nu est émis dans une expérience atomique. Quelle relation permet de déterminer l’énergie d’un quantum associé à ce rayonnement ?

E=νhE = \frac{\nu}{h}
E=hνE = h\nu
E=nhνE = n h\nu
E=hλE = h\lambda

$$E = h\nu$$

Explication

L’énergie d’un quantum est le produit de la constante de Planck par la fréquence, soit E=hνE = h\nu. La division inverse le rapport, la longueur d’onde n’est pas la variable de cette formule et nhνn h\nu désigne une variation composée de plusieurs quanta.

12. Dans le modèle atomique proposé par Niels Bohr, quel trajet les électrons suivent-ils autour du noyau ?

Des orbites elliptiques
Des orbites circulaires de protons
Des orbites circulaires
Des trajectoires rectilignes

Des orbites circulaires

Explication

Le modèle de Bohr décrit les électrons comme parcourant des orbites circulaires autour du noyau. Les trajectoires rectilignes et elliptiques ne correspondent pas à cette proposition, et les protons ne sont pas les particules qui orbitent autour du noyau.

13. Lorsqu’on compare la lumière blanche traversant un prisme à la lumière émise par un gaz excité, quelle différence observe-t-on entre leurs spectres ?

Les deux sources forment un spectre de raies, mais celui de la lumière blanche comporte davantage de fréquences.
La lumière blanche forme un spectre continu, tandis que le gaz émet un nombre limité de fréquences.
La lumière blanche forme un spectre de raies, tandis que le gaz émet toutes les couleurs en continu.
Les deux sources forment un spectre continu, mais celui du gaz comporte davantage de couleurs.

La lumière blanche forme un spectre continu, tandis que le gaz émet un nombre limité de fréquences.

Explication

Le prisme décompose la lumière blanche en couleurs continues, alors qu’un gaz excité émet un nombre limité de fréquences sous forme de raies. L’inversion des spectres confond les deux phénomènes, et les réponses évoquant un spectre continu ou des raies pour les deux sources effacent cette distinction.

14. Pour évaluer la possibilité théorique de distinguer un espacement de l’ordre de la distance atomique, quelle longueur d’onde électronique faut-il retenir ?

Environ 2×1010 m2\times10^{10}\ \mathrm{m}.
Environ 2×10−10 m2\times10^{-10}\ \mathrm{m}.
Environ 2×10−6 m2\times10^{-6}\ \mathrm{m}.
Environ 0,1 aˋ 0,2 μm0{,}1\text{ à }0{,}2\ \mathrm{\mu m}.

Environ $$2\times10^{-10}\ \mathrm{m}$$.

Explication

La longueur d’onde des électrons est d’environ 2×10−10 m2\times10^{-10}\ \mathrm{m}, ce qui permet théoriquement de distinguer un espacement de l’ordre de la distance atomique. La plage 0,1 aˋ 0,2 μm0{,}1\text{ à }0{,}2\ \mathrm{\mu m} désigne la résolution pratique facilement atteignable par le MEB, et les autres valeurs ne correspondent pas à la longueur d’onde donnée.

15. Quel physicien a interprété Ψ² comme la probabilité qu’un électron se trouve dans une portion donnée de l’espace atomique ?

Werner Heisenberg
Max Born
Erwin Schrödinger
Ernest Rutherford

Max Born

Explication

Max Born a interprété le carré de la fonction d’onde Ψ² comme une probabilité de présence de l’électron dans une portion de l’espace atomique. Schrödinger est associé à l’équation d’onde, Heisenberg au principe d’incertitude et Rutherford au modèle nucléaire.

16. Deux particules ont la même masse, mais la première se déplace deux fois plus vite que la seconde. D’après la relation de De Broglie, comment leurs longueurs d’onde se comparent-elles ?

Les deux longueurs d’onde sont égales.
La longueur d’onde de la première est deux fois plus grande.
La longueur d’onde de la première est deux fois plus petite.
La longueur d’onde de la première est quatre fois plus petite.

La longueur d’onde de la première est deux fois plus petite.

Explication

La relation λ=hmv\lambda = \frac{h}{mv} montre que, à masse égale, la longueur d’onde varie en raison inverse de la vitesse : doubler la vitesse la divise par deux. Une longueur d’onde doublée inverse cette relation, l’égalité néglige l’effet de la vitesse et une division par quatre applique un facteur excessif.

17. Dans un modèle fondé sur la quantification de Planck, laquelle de ces variations d’énergie est permise pour un rayonnement de fréquence ν\nu ?

2,5hν2{,}5h\nu
3νh\frac{3}{\nu}h
2,75hν2{,}75h\nu
3hν3h\nu

$$3h\nu$$

Explication

Une variation permise doit être un multiple entier de hνh\nu ; ainsi, 3hν3h\nu correspond à trois quanta. Les valeurs fractionnaires ne respectent pas cette règle, tandis que l’expression contenant 1/ν1/\nu n’est pas un multiple entier de la quantité quantique.

18. Une plaque métallique éclairée par des photons éjecte des électrons. Quel mécanisme décrit cette émission dans l’effet photoélectrique ?

Les photons sont réfléchis par les électrons, qui restent dans le métal.
Les photons transfèrent leur énergie aux électrons, qui peuvent quitter la surface.
Les électrons frappent la surface et produisent les photons incidents.
Le métal chauffe et libère des électrons sans transfert d’énergie photonique.

Les photons transfèrent leur énergie aux électrons, qui peuvent quitter la surface.

Explication

Dans l’effet photoélectrique, les photons frappent la surface métallique et transfèrent leur énergie aux électrons, ce qui peut leur permettre de s’en échapper. La réflexion des photons, l’échauffement sans transfert et l’émission de photons par les électrons ne décrivent pas ce mécanisme.

19. Une équipe connaît la structure atomique de plusieurs éléments et composés. Quelle utilisation de cette connaissance est pertinente ?

Prévoir les observations expérimentales passées plutôt que les propriétés des éléments et des composés
Décrire les structures sans prévoir les propriétés des éléments et des composés
Prévoir les propriétés des éléments et des composés
Prévoir les propriétés des atomes isolés, mais pas celles des éléments et des composés

Prévoir les propriétés des éléments et des composés

Explication

La connaissance de la structure atomique permet de prévoir les propriétés des éléments et des composés. La simple description des structures n’inclut pas cette prévision, les observations passées ne sont pas des propriétés à prédire, et limiter la prévision aux atomes isolés écarte les éléments et les composés.

20. Quel ensemble de caractéristiques décrit le mieux le rôle d’un modèle scientifique face à une réalité complexe ?

Une représentation simplifiée qui communique une idée, synthétise les observations antérieures et prévoit des comportements testables
Une reproduction exacte de la réalité qui communique une idée, synthétise les observations antérieures et prévoit des comportements testables
Une représentation simplifiée qui communique une idée, sans synthétiser les observations antérieures ni prévoir de comportements testables
Une représentation simplifiée qui accumule les observations antérieures, sans communiquer d’idée ni prévoir de comportements testables

Une représentation simplifiée qui communique une idée, synthétise les observations antérieures et prévoit des comportements testables

Explication

Un modèle scientifique simplifie une réalité complexe tout en transmettant une idée, en synthétisant les observations expérimentales antérieures et en permettant des prévisions vérifiables. La « reproduction exacte » nie la simplification, tandis que les deux autres propositions omettent des fonctions essentielles du modèle.

21. Quelle approche étudie la structure atomique en s’appuyant sur les propriétés ondulatoires de l’électron ?

La physique nucléaire
L’optique ondulatoire
La mécanique ondulatoire
La mécanique classique

La mécanique ondulatoire

Explication

La mécanique ondulatoire, aussi appelée mécanique quantique, étudie la structure atomique à partir des propriétés ondulatoires de l’électron. L’optique ondulatoire concerne la lumière, la physique nucléaire le noyau, et la mécanique classique ne correspond pas à cette définition.

22. Dans un modèle atomique, quelle interprétation convient à la fonction d’onde Ψ associée à un électron ?

Elle donne directement la probabilité de présence et représente une région de l’espace.
Elle décrit la trajectoire précise de la particule et représente sa vitesse instantanée.
Elle décrit la structure du noyau et représente son niveau de charge.
Elle décrit la propagation de l’onde associée à la particule et représente un état d’énergie.

Elle décrit la propagation de l’onde associée à la particule et représente un état d’énergie.

Explication

La fonction d’onde Ψ décrit la propagation de l’onde associée à une particule et représente un état d’énergie. La trajectoire précise relève d’une confusion avec une orbite, la probabilité de présence est associée à Ψ², et la structure du noyau n’est pas décrite par Ψ.

23. Dans une expérience, la fréquence des photons est augmentée jusqu’à ce que leur énergie dépasse le seuil d’éjection des électrons. Que devient l’énergie au-delà du seuil ?

Elle augmente le nombre d’électrons présents dans le métal.
Elle devient l’énergie cinétique des électrons éjectés.
Elle est absorbée sans modifier le mouvement des électrons.
Elle devient l’énergie potentielle de la surface métallique.

Elle devient l’énergie cinétique des électrons éjectés.

Explication

Un électron est éjecté si l’énergie du photon atteint le seuil minimal, et l’énergie excédentaire devient son énergie cinétique. L’augmentation du nombre d’électrons, l’énergie potentielle du métal et l’absence d’effet cinétique ne correspondent pas à cette règle.

24. Quel terme désigne un paquet d’énergie lumineuse associé à la lumière ?

Un atome métallique
Un photon
Un électron photoéjecté
Une onde électromagnétique

Un photon

Explication

Un photon est un paquet, ou une particule, d’énergie lumineuse. Une onde électromagnétique désigne le modèle ondulatoire de la lumière, tandis qu’un électron photoéjecté et un atome métallique sont des objets matériels distincts.

Révisez avec les flashcards

Mémorisez les réponses avec 64 flashcards sur Dualité onde-particule et quantification.

Que représente un modèle scientifique ?

Une réalité complexe sous une forme simplifiée.

Que communique un modèle scientifique ?

Une idée.

Que synthétise un modèle scientifique ?

Les observations expérimentales antérieures.

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Consultez la fiche de révision complète sur Dualité onde-particule et quantification.

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