QCM : Modèles atomiques et physique quantique (24 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Lorsqu’un scientifique évalue un modèle, quelle combinaison de fonctions correspond aux critères d’un bon modèle scientifique ?

Présenter une preuve, reproduire les expériences et classer les phénomènes observés
Décrire un objet, synthétiser les expériences et expliquer seulement des résultats passés
Communiquer une idée, synthétiser les expériences et prévoir des comportements
Communiquer une idée, reproduire les expériences et décrire un comportement observé

Communiquer une idée, synthétiser les expériences et prévoir des comportements

Explication

Un bon modèle communique une idée, synthétise les expériences et permet de prévoir des comportements. La reproduction des expériences, la description seule et la présentation d’une preuve ne remplacent pas cette combinaison de critères.

2. Pour représenter l’atome selon Thomson, un élève choisit une image du type « pain aux raisins ». Que représentent les raisins et la pâte dans cette image ?

Les raisins sont des électrons négatifs entourés de vide et d’un noyau positif
Les raisins sont des charges positives plongées dans une pâte négative
Les raisins sont des électrons négatifs plongés dans une pâte positive
Les raisins sont des noyaux positifs entourés d’électrons négatifs

Les raisins sont des électrons négatifs plongés dans une pâte positive

Explication

Dans le modèle de Thomson, les électrons négatifs sont plongés dans une matière positive, comme des raisins dans une pâte. Inverser les signes, remplacer la pâte par un noyau ou introduire du vide correspond à d’autres représentations.

3. Un élève décrit un atome selon Thomson comme une matière positive contenant des électrons négatifs. Quelle conclusion ce modèle permet-il de tirer sur l’atome ?

Il est divisible et un noyau positif assure sa neutralité avec les électrons négatifs
Il est divisible et sa matière positive assure sa neutralité avec les électrons négatifs
Il est indivisible et sa matière positive compense les électrons négatifs
Il est neutre parce qu’il ne contient pas de particules chargées

Il est divisible et sa matière positive assure sa neutralité avec les électrons négatifs

Explication

Thomson conclut que l’atome est divisible et que sa matière positive compense les électrons négatifs, ce qui assure sa neutralité. L’indivisibilité contredit cette conclusion, tandis que le noyau appartient à un autre modèle et que l’atome contient bien des charges.

4. Quelle charge électrique élémentaire Millikan attribue-t-il à l’électron ?

−1,602×10−18 C-1{,}602\times10^{-18}\ \mathrm{C}
+1,602×10−19 C+1{,}602\times10^{-19}\ \mathrm{C}
9,109×10−31 C9{,}109\times10^{-31}\ \mathrm{C}
−1,602×10−19 C-1{,}602\times10^{-19}\ \mathrm{C}

$$-1{,}602\times10^{-19}\ \mathrm{C}$$

Explication

Millikan conclut que la charge élémentaire de l’électron vaut −1,602×10−19 C-1{,}602\times10^{-19}\ \mathrm{C}. Le signe positif inverse la charge, la valeur en kilogrammes correspond à une masse, et l’exposant −18-18 décale la grandeur d’un facteur dix.

5. Après avoir interprété les déviations de particules dans son expérience, quel modèle de l’atome l’équipe de Rutherford doit-elle retenir ?

Une matière positive répartie dans tout l’atome avec des électrons inclus
Un noyau très petit dans un atome surtout constitué de vide
Un noyau de taille comparable à l’atome dans un espace presque vide
Un atome compact dont le noyau occupe presque tout le volume

Un noyau très petit dans un atome surtout constitué de vide

Explication

Rutherford établit que le noyau est environ 10 000 fois plus petit que l’atome et que l’atome est surtout constitué de vide. Un noyau de taille comparable surestime sa dimension, la matière positive répartie correspond au modèle de Thomson, et un noyau occupant presque tout le volume inverse le constat.

6. Quel scientifique a découvert le neutron, constituant du noyau atomique ?

James Chadwick
Robert Millikan
Joseph John Thomson
Ernest Rutherford

James Chadwick

Explication

James Chadwick a découvert le neutron, un constituant du noyau atomique. Rutherford est associé à la découverte du noyau, Thomson aux recherches sur l’électron, et Millikan à la mesure de la charge élémentaire.

7. Deux atomes d’un même élément ont des noyaux contenant des nombres différents de neutrons et présentent des masses différentes : comment les classe-t-on ?

Des isotopes
Des ions
Des nucléons
Des éléments différents

Des isotopes

Explication

Des isotopes sont des atomes dont les noyaux diffèrent par leur nombre de neutrons, ce qui entraîne des masses différentes. Des ions se distinguent par leur charge, les nucléons sont des particules du noyau, et une variation du nombre de neutrons ne définit pas à elle seule un élément différent.

8. Dans un modèle classique, un électron tourne autour du noyau. Quel devenir ce modèle prédit-il pour cet électron ?

Il perd de l’énergie et finit par s’écraser sur le noyau.
Il conserve son énergie et reste sur une orbite stable.
Il perd de l’énergie et finit par quitter l’atome.
Il gagne de l’énergie et s’éloigne progressivement du noyau.

Il perd de l’énergie et finit par s’écraser sur le noyau.

Explication

Selon la physique classique, l’électron en orbite perdrait de l’énergie, ce qui le conduirait à s’écraser sur le noyau. Une orbite stable, un gain d’énergie ou un éloignement ne correspondent pas à cette prédiction.

9. Quelle association correspond à la description classique du mouvement d’un corpuscule et des ondes ?

Corpuscules : équations de Maxwell ; ondes : F=maF=ma
Corpuscules : gravité ; ondes : F=maF=ma
Corpuscules : F=maF=ma ; ondes : gravité
Corpuscules : F=maF=ma ; ondes : équations de Maxwell

Corpuscules : $$F=ma$$ ; ondes : équations de Maxwell

Explication

La physique classique décrit le mouvement corpusculaire par F=maF=ma et les ondes par les équations de Maxwell. Les équations de Maxwell ne décrivent pas le mouvement des corpuscules, et la gravité ne remplace pas la description des ondes.

10. Une expérience produit des franges avec deux fentes, tandis qu’une autre éjecte des électrons lorsqu’une lumière appropriée éclaire un matériau. Quelle interprétation associe correctement les expériences au comportement de la lumière ?

Les deux expériences révèlent le comportement ondulatoire de la lumière.
Les fentes de Young révèlent le comportement corpusculaire, et l’effet photoélectrique le comportement ondulatoire.
Les deux expériences révèlent le comportement corpusculaire de la lumière.
Les fentes de Young révèlent le comportement ondulatoire, et l’effet photoélectrique le comportement corpusculaire.

Les fentes de Young révèlent le comportement ondulatoire, et l’effet photoélectrique le comportement corpusculaire.

Explication

Les franges de l’expérience des fentes de Young mettent en évidence le comportement ondulatoire, tandis que l’effet photoélectrique met en évidence le comportement corpusculaire. Inverser ces interprétations ou attribuer les deux phénomènes à un seul comportement confond les expériences.

11. Une lumière de fréquence 5,0×1014 Hz5{,}0\times10^{14}\,\text{Hz} se propage à 3,0×108 m/s3{,}0\times10^8\,\text{m/s}. Quelle longueur d’onde obtient-on avec la relation entre vitesse, fréquence et longueur d’onde ?

6,0×10−7 Hz6{,}0\times10^{-7}\,\text{Hz}
1,5×1023 m1{,}5\times10^{23}\,\text{m}
6,0×10−7 m6{,}0\times10^{-7}\,\text{m}
1,7×106 m1{,}7\times10^6\,\text{m}

$$6{,}0\times10^{-7}\,\text{m}$$

Explication

La relation c=νλc=\nu\lambda donne λ=cν=3,0×1085,0×1014=6,0×10−7 m\lambda=\frac{c}{\nu}=\frac{3{,}0\times10^8}{5{,}0\times10^{14}}=6{,}0\times10^{-7}\,\text{m}. Le produit vitesse-fréquence et le rapport inversé sont des erreurs de calcul, tandis que le hertz est une unité de fréquence.

12. Selon l’hypothèse de Planck, comment les atomes échangent-ils de l’énergie ?

De façon continue, selon l’intensité du rayonnement
Par paquets dont la quantité dépend de la longueur d’onde
De façon continue, indépendamment de la fréquence de vibration
Par paquets dont la quantité dépend de la fréquence de vibration

Par paquets dont la quantité dépend de la fréquence de vibration

Explication

Pour Planck, l’énergie est échangée par paquets et leur quantité dépend de la fréquence de vibration. L’énergie continue relève de la physique classique, tandis que la longueur d’onde et l’intensité ne sont pas la dépendance indiquée ici.

13. Pour une fréquence de rayonnement de 3,0×1014 s−13{,}0\times10^{14}\ \mathrm{s^{-1}}, quelle énergie Planck associe-t-il à un paquet, avec h=6,626×10−34 J⋅sh=6{,}626\times10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s} ?

2,21×10−48 J2{,}21\times10^{-48}\ \mathrm{J}
4,52×1047 J4{,}52\times10^{47}\ \mathrm{J}
1,99×10−19 J1{,}99\times10^{-19}\ \mathrm{J}
1,99×10−20 J1{,}99\times10^{-20}\ \mathrm{J}

$$1{,}99\times10^{-19}\ \mathrm{J}$$

Explication

La relation est E=hνE=h\nu, donc E=(6,626×10−34)(3,0×1014)=1,99×10−19 JE=(6{,}626\times10^{-34})(3{,}0\times10^{14})=1{,}99\times10^{-19}\ \mathrm{J}. L’exposant 10−2010^{-20} traduit une erreur de puissance de dix; diviser h par la fréquence inverse la relation, et traiter la fréquence comme une longueur d’onde ne convient pas.

14. En 1905, quelle conception de la lumière Einstein propose-t-il pour résoudre l’opposition entre onde et corpuscule ?

Elle présente un comportement corpusculaire sous forme de photons, sans comportement ondulatoire
Elle échange une énergie continue, sans comportement ondulatoire ni corpusculaire
Elle présente à la fois un comportement ondulatoire et un comportement corpusculaire sous forme de photons
Elle présente un comportement ondulatoire, tandis que les photons désignent les atomes

Elle présente à la fois un comportement ondulatoire et un comportement corpusculaire sous forme de photons

Explication

La proposition d’Einstein combine les deux comportements : la lumière est ondulatoire et corpusculaire, ce dernier étant associé aux photons. Le modèle exclusivement ondulatoire ou exclusivement corpusculaire écarte une moitié de cette dualité; l’énergie continue ne décrit pas cette proposition.

15. Un musée prépare une notice sur le prix Nobel de physique attribué à Einstein en 1921. Quel motif doit-il indiquer ?

Sa théorie de la relativité restreinte
Son équivalence entre masse et énergie
Son explication de l’effet photoélectrique
Son explication du mouvement brownien

Son explication de l’effet photoélectrique

Explication

Le prix Nobel de physique de 1921 récompense Einstein pour son explication de l’effet photoélectrique. La relativité restreinte, l’équivalence masse-énergie et le mouvement brownien sont associés à d’autres travaux, mais ne sont pas le motif de ce prix.

16. Quelle hypothèse De Broglie formule-t-il en 1924 au sujet des particules matérielles ?

Seuls les photons, sans masse matérielle, sont associés à une onde réelle.
Toute particule matérielle de masse et de vitesse est associée à une onde réelle.
Toute particule matérielle est associée à une onde seulement lorsqu’elle est au repos.
Toute particule matérielle se comporte comme une onde, sans comportement corpusculaire.

Toute particule matérielle de masse et de vitesse est associée à une onde réelle.

Explication

L’hypothèse de De Broglie associe une onde réelle à toute particule matérielle caractérisée par une masse et une vitesse. L’onde réservée aux photons confond matière et lumière, l’onde au repos ajoute une condition absente, et l’absence de comportement corpusculaire nie la dualité.

17. Dans le modèle atomique de De Broglie, quelle condition doit satisfaire l’onde associée à un électron qui se déplace autour du noyau ?

Une seule ondulation doit tenir autour de l’atome, quelle que soit sa longueur.
Un nombre entier d’ondulations doit tenir autour du noyau pour un proton.
Un nombre entier d’ondulations doit tenir autour de l’atome.
Un nombre quelconque d’ondulations peut tenir autour de l’atome.

Un nombre entier d’ondulations doit tenir autour de l’atome.

Explication

Le modèle exige que l’onde de l’électron présente un nombre entier d’ondulations autour de l’atome. Une ondulation unique confond nombre entier et valeur fixée, un nombre quelconque supprime la condition, et le proton substitue une autre particule à l’électron.

18. Dans un atome décrit par le modèle de Bohr, un électron passe d’une orbite définie à une autre et une raie apparaît dans le spectre : quel mécanisme explique cette raie ?

La raie apparaît sans que l’électron change d’orbite ni échange d’énergie.
Le changement d’orbite s’accompagne d’un échange d’énergie.
La masse de l’électron change et produit la raie spectrale.
L’électron parcourt continûment toutes les orbites sans échange d’énergie.

Le changement d’orbite s’accompagne d’un échange d’énergie.

Explication

Dans le modèle de Bohr, les électrons occupent des orbites définies et le passage d’une orbite à une autre implique un échange d’énergie, à l’origine des spectres de raies. Le parcours continu nie les orbites définies, la variation de masse introduit un mécanisme étranger, et l’absence de transition contredit le modèle.

19. Une équipe veut appliquer le modèle quantique de Bohr à un ion dont l’atome possède deux électrons. Quelle conclusion respecte le domaine d’application indiqué pour ce modèle ?

Le modèle ne convient qu’aux atomes neutres, même à un électron.
Le modèle ne convient pas à ce système à deux électrons.
Le modèle convient, car il s’applique à tout système atomique.
Le modèle convient, car l’ion est associé à un atome d’hydrogène.

Le modèle ne convient pas à ce système à deux électrons.

Explication

Le modèle de Bohr est présenté pour l’hydrogène et ne convient qu’aux systèmes à un électron ; un système à deux électrons dépasse donc ce domaine. L’extension à tous les atomes ignore cette limite, assimiler tout ion à l’hydrogène est erroné, et la restriction aux seuls atomes neutres ajoute une condition absente.

20. Lorsqu’une mesure affine davantage la position d’un électron, que prévoit le principe d’incertitude de Heisenberg pour la connaissance de sa quantité de mouvement ?

Elle devient entièrement déterminée.
Elle devient moins précise.
Elle reste aussi précise.
Elle devient plus précise.

Elle devient moins précise.

Explication

Le principe d’incertitude établit une relation inverse entre la précision de la position et celle de la quantité de mouvement. L’idée d’une précision accrue confond les deux grandeurs, tandis que leur précision simultanément accrue inverse cette relation.

21. Dans la description de Heisenberg, quelle représentation convient le mieux à un électron dont on ne peut pas tracer une trajectoire déterminée ?

Une orbite déterminée autour du noyau.
Une trajectoire exacte dans l’espace.
Une zone de présence possible.
Une onde dépourvue de zone de présence.

Une zone de présence possible.

Explication

Heisenberg décrit l’électron par une zone de présence plutôt que par une trajectoire déterminée. Une orbite ou une trajectoire exacte réintroduit une trajectoire définie, tandis qu’une onde sans zone de présence écarte la représentation indiquée.

22. Dans la mécanique ondulatoire de Schrödinger, quelle fonction décrit l’électron en fonction de la position et du temps ?

L’orbite planétaire de Bohr.
La fonction d’onde Ψ(x,t)\Psi(x,t).
La force F=maF=ma.
La relation d’incertitude de Heisenberg.

La fonction d’onde $$\Psi(x,t)$$.

Explication

La fonction d’onde Ψ(x,t)\Psi(x,t) décrit l’électron dans la mécanique ondulatoire de Schrödinger. F=maF=ma est une relation de mécanique classique, l’incertitude relève de Heisenberg et l’orbite planétaire est associée au modèle de Bohr.

23. Quelle théorie explique les champs de force électromagnétiques par des quanta et prévoit l’existence de l’antimatière ?

La relativité restreinte seule.
L’électrodynamique quantique relativiste.
La mécanique matricielle de Heisenberg.
L’électromagnétisme classique.

L’électrodynamique quantique relativiste.

Explication

L’électrodynamique quantique relativiste explique les champs électromagnétiques par des quanta et prévoit l’antimatière. L’électromagnétisme classique ne correspond pas à cette théorie quantique, et la mécanique matricielle n’est pas l’attribution donnée.

24. Quelles sont les quatre interactions présentées comme les forces fondamentales ?

Forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle.
Forte, faible, nucléaire et de frottement.
Faible, électromagnétique, centrifuge et gravitationnelle.
Forte, gravitationnelle, électrostatique et de frottement.

Forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle.

Explication

Les quatre interactions fondamentales présentées sont les interactions forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle. Le frottement et la force centrifuge ne font pas partie de cette liste, et l’électrostatique relève de l’interaction électromagnétique plutôt que d’une interaction distincte.

Révisez avec les flashcards

Mémorisez les réponses avec 73 flashcards sur Modèles atomiques et physique quantique.

Que permet de prévoir un bon modèle scientifique ?

Des comportements.

Que synthétise un bon modèle scientifique ?

Les expériences.

Que communique un bon modèle scientifique ?

Une idée.

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