QCM : Fondements de la chimie quantique (11 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Quel phénomène Thomson identifie-t-il en 1897 ?

La lumière visible comme un ensemble de particules neutres
Les rayons cathodiques comme un flux d’électrons négatifs
Les neutrons comme des ondes issues du tube cathodique
Le noyau atomique comme une région de charge positive

Les rayons cathodiques comme un flux d’électrons négatifs

Explication

En 1897, Thomson montre que les rayons cathodiques sont constitués de particules négatives, nommées électrons, indépendantes du matériau utilisé. L’identification du noyau atomique relève des travaux ultérieurs de Rutherford, et non de cette expérience.

2. Dans le modèle planétaire classique, quelle évolution est prévue pour un électron en orbite autour du noyau ?

Il perd progressivement de l’énergie et devrait atteindre le noyau en environ 10−8 s10^{-8}\ \mathrm{s}
Il cesse d’interagir avec le champ électromagnétique après une révolution complète
Il conserve son énergie mécanique et reste durablement sur une orbite stable
Il gagne de l’énergie électromagnétique et s’éloigne progressivement du noyau

Il perd progressivement de l’énergie et devrait atteindre le noyau en environ $$10^{-8}\ \mathrm{s}$$

Explication

Un électron accéléré devrait rayonner continûment, perdre son énergie mécanique et tomber sur le noyau en environ 10−8 s10^{-8}\ \mathrm{s}. L’idée d’une orbite durablement stable contredit précisément l’instabilité prédite par ce modèle classique.

3. Quelle conclusion les observations de Young en 1801 permettent-elles de tirer sur la lumière ?

L’absorption thermique révèle qu’elle est formée de charges négatives
La diffraction et les interférences révèlent son caractère ondulatoire
La propagation en ligne droite révèle qu’elle possède une masse au repos
La réflexion sur les surfaces révèle son caractère exclusivement corpusculaire

La diffraction et les interférences révèlent son caractère ondulatoire

Explication

Les phénomènes de diffraction et d’interférences observés par Young constituent des indices du comportement ondulatoire de la lumière. La propagation rectiligne, la réflexion ou l’absorption ne suffisent pas à établir une nature corpusculaire ou une masse au repos.

4. Si la température absolue d’un corps noir est multipliée par 2, comment évolue son taux d’émission thermique selon la loi de Stefan ?

Il est multiplié par 8
Il est multiplié par 4
Il est multiplié par 16
Il est multiplié par 2

Il est multiplié par 16

Explication

La loi de Stefan indique que R∝T4R\propto T^4 ; en remplaçant TT par 2T2T, on obtient R′=(2T)4=16T4R'=(2T)^4=16T^4. Une multiplication par 4 correspondrait à une dépendance quadratique, qui n’est pas celle de cette loi.

5. Que désigne une série spectrale de l’hydrogène ?

Un ensemble de raies correspondant à des transitions vers un même niveau final
Un ensemble de raies caractérisant des transitions entre sous-couches de même nombre azimutal
Un groupe de raies produit par des électrons partageant une même orbite circulaire
Une collection de raies associées à des transitions entre niveaux d’énergie continus

Un ensemble de raies correspondant à des transitions vers un même niveau final

Explication

Une série spectrale regroupe les raies produites lorsque l’électron effectue des transitions dont le niveau final est commun, comme pour les séries de Lyman ou de Balmer. Les autres propositions confondent ces séries avec une orbite, un continuum d’énergie ou une sous-couche atomique.

6. Quelle relation de De Broglie associe-t-elle la longueur d’onde λ\lambda d’une particule à sa quantité de mouvement pp ?

λ=hp2\lambda=\frac{h}{p^2}
λ=hp\lambda=hp
λ=ph\lambda=\frac{p}{h}
λ=hp\lambda=\frac{h}{p}

$$\lambda=\frac{h}{p}$$

Explication

La relation de De Broglie attribue à une particule de quantité de mouvement pp une longueur d’onde λ=hp\lambda=\frac{h}{p}. La relation λ=hp\lambda=hp inverse à tort la dépendance entre longueur d’onde et quantité de mouvement.

7. Quel est le rôle de la fonction d’onde Ψ(x,y,z,t)\Psi(x,y,z,t) dans la mécanique quantique ?

Elle représente la trajectoire classique suivie par la particule dans l’espace
Elle fournit directement la valeur précise de chaque grandeur mesurable
Elle indique la position certaine de la particule à chaque instant
Elle décrit l’état dynamique du système et contient les informations accessibles

Elle décrit l’état dynamique du système et contient les informations accessibles

Explication

La fonction d’onde décrit l’état dynamique d’une particule quantique et rassemble les informations accessibles sur le système. Elle ne donne pas directement une trajectoire ou une position certaine, car les résultats de mesure sont décrits probabilistiquement.

8. À quelle date Bohr publie-t-il son modèle des orbites électroniques stationnaires avec niveaux d’énergie quantifiés ?

En 1927
En 1925
En 1911
En 1913

En 1913

Explication

Bohr présente en 1913 son modèle fondé sur des orbites stationnaires, un moment cinétique quantifié et des transitions accompagnées de photons. L’année 1925 correspond à l’introduction du spin de l’électron par Uhlenbeck et Goudsmit, et non à la publication du modèle de Bohr.

9. Quelle différence distingue la forme générale de la fonction d’onde hydrogénoïde de la dépendance de l’énergie potentielle électron-noyau ?

La fonction d’onde dépend de trois coordonnées sphériques, tandis que l’énergie potentielle dépend uniquement de la distance radiale rr.
La fonction d’onde et l’énergie potentielle dépendent toutes deux séparément de rr, θ\theta et φ\varphi.
La fonction d’onde dépend de coordonnées cartésiennes, tandis que l’énergie potentielle dépend uniquement de l’angle polaire θ\theta.
La fonction d’onde dépend uniquement de rr, tandis que l’énergie potentielle dépend séparément de rr, θ\theta et φ\varphi.

La fonction d’onde dépend de trois coordonnées sphériques, tandis que l’énergie potentielle dépend uniquement de la distance radiale $$r$$.

Explication

La fonction d’onde hydrogénoïde s’écrit comme une fonction de rr, θ\theta et φ\varphi, alors que la force centrale implique une énergie potentielle fonction de la seule distance rr au noyau. L’expression de l’énergie potentielle ne dépend donc pas séparément des angles, contrairement à la fonction d’onde générale.

10. Quelle relation caractérise l’action de l’opérateur du moment cinétique orbital au carré sur une orbitale hydrogénoïde ?

L^2Ψ=n2ℏ2Ψ\hat L^2\Psi=n^2\hbar^2\Psi
L^2Ψ=mℏΨ\hat L^2\Psi=m\hbar\Psi
L^2Ψ=l(l+1)ℏ2Ψ\hat L^2\Psi=l(l+1)\hbar^2\Psi
L^2Ψ=l(l−1)ℏ2Ψ\hat L^2\Psi=l(l-1)\hbar^2\Psi

$$\hat L^2\Psi=l(l+1)\hbar^2\Psi$$

Explication

La valeur propre associée à L^2\hat L^2 est l(l+1)ℏ2l(l+1)\hbar^2, ce qui définit le module quantifié du moment cinétique orbital. La relation faisant intervenir mℏm\hbar concerne plutôt la projection L^z\hat L_z sur l’axe choisi.

11. Pourquoi une couche électronique de nombre quantique principal nn présente-t-elle une dégénérescence énergétique égale à n2n^2 dans un système hydrogénoïde ?

Parce que toutes les combinaisons permises de ll et de mm possèdent la même énergie pour un même nn
Parce que le nombre d’électrons admissibles dans la couche est égal à n2n^2
Parce que chaque valeur de mm impose une énergie différente à l’intérieur d’une même sous-couche
Parce que l’énergie dépend simultanément de nn, de ll et de mm dans un atome hydrogénoïde

Parce que toutes les combinaisons permises de $$l$$ et de $$m$$ possèdent la même énergie pour un même $$n$$

Explication

Dans un système hydrogénoïde, l’énergie dépend de nn mais pas de ll ni de mm, si bien que toutes les orbitales associées à un même nn sont dégénérées. Le nombre total de ces orbitales est obtenu en additionnant les valeurs possibles de 2l+12l+1 pour ll allant de 00 à n−1n-1, ce qui donne n2n^2.

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Que montrent les expériences sur le rayonnement du corps noir et l’effet photoélectrique ?

Les particules ont un comportement ondulatoire et les ondes lumineuses un comportement corpusculaire.

Quelle découverte Thomson a-t-il faite en 1897 sur les rayons cathodiques ?

Ils sont un courant de particules négatives appelées électrons.

Que démontre Young en 1801 sur la lumière ?

La diffraction et les interférences prouvent son caractère ondulatoire.

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