QCM : Structure atomique et lumière (29 questions)

Question 1

1. Quelle longueur caractérise approximativement un atome ou une liaison C–H ?

Environ un ångström, soit

10^{-10}

m

Environ un micromètre, soit

10^{-6}

m

Environ un nanomètre, soit

10^{-9}

m

Moins de

10^{-14}

m, comme un noyau

Explication

Un atome ou une liaison C–H se situe à l’échelle de l’ångström, proche de $10^{-10}$ m. Le nanomètre correspond plutôt à l’échelle des grandes molécules.

Answer

Environ un ångström, soit $$10^{-10}$$ m

Question 2

2. Quelle valeur correspond à la constante d’Avogadro parmi les constantes utiles en chimie ?

6{,}0221407 \times 10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1}

1{,}6 \times 10^{-19}\ \mathrm{C}

2{,}998 \times 10^8\ \mathrm{m\,s}^{-1}

4{,}38 \times 10^{-18}\ \mathrm{J}

Explication

La constante d’Avogadro vaut $6{,}0221407 \times 10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1}$ . La valeur en coulombs désigne la charge élémentaire, tandis que la vitesse indiquée correspond à la lumière dans le vide.

Answer

$$6{,}0221407 \times 10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1}$$

Question 3

3. Quelle définition décrit un atome dans le cadre de la chimie ?

La plus petite particule qui constitue la matière en chimie

Une particule formée uniquement de protons et de neutrons

Un assemblage de molécules portant une charge électrique

La plus petite unité d’énergie transportée par la lumière

Explication

En chimie, l’atome est la plus petite particule constituant la matière. Un assemblage de molécules est une structure plus vaste, et un quantum d’énergie lumineuse est un photon.

Answer

La plus petite particule qui constitue la matière en chimie

Question 4

4. Comment les constituants d’un atome sont-ils organisés ?

Un noyau composé d’électrons entoure des protons et des neutrons

Des neutrons évoluent autour d’un noyau composé de protons et d’électrons

Des protons et des électrons forment le noyau, autour duquel évoluent les neutrons

Des électrons évoluent autour d’un noyau composé de protons et de neutrons

Explication

L’atome comprend un noyau formé de protons et de neutrons, autour duquel évoluent les électrons. Les électrons ne font pas partie du noyau, contrairement à ce que propose une confusion fréquente.

Answer

Des électrons évoluent autour d’un noyau composé de protons et de neutrons

Question 5

5. Quelle répartition des charges électriques entre les particules de l’atome est correcte ?

Le proton est positif, le neutron est négatif et l’électron est neutre

Le proton est négatif, le neutron est neutre et l’électron est positif

Le proton est positif, le neutron est neutre et l’électron est négatif

Le proton est neutre, le neutron est positif et l’électron est négatif

Explication

Les protons portent une charge positive, les neutrons une charge nulle et les électrons une charge négative. Le neutron n’est donc pas positif : il est le proton qui porte une charge positive.

Answer

Le proton est positif, le neutron est neutre et l’électron est négatif

Question 6

6. Un atome possède $Z=8$ protons. Quelle information le nombre atomique permet-il d’établir ?

L’atome contient 8 neutrons, quel que soit son nombre de masse

L’atome possède au total 8 nucléons, protons et neutrons réunis

L’atome possède une masse atomique égale à 8 unités de masse

L’atome appartient à l’élément de numéro atomique 8

Explication

Le nombre atomique $Z$ compte les protons et détermine la nature de l’élément ; avec $Z=8$ , l’élément est identifié par ce numéro. Le nombre total de nucléons est donné par $A$ , et non par $Z$ .

Answer

L’atome appartient à l’élément de numéro atomique 8

Question 7

7. Une onde lumineuse a une fréquence $\nu$ et une longueur d’onde $\lambda$ . Quelle relation les relie à la vitesse de la lumière dans le vide ?

c=\frac{\lambda}{\nu}

c=\frac{\nu}{\lambda}

c=\lambda\nu

c=\lambda+\nu

Explication

La vitesse de l’onde lumineuse est le produit de sa longueur d’onde par sa fréquence, soit $c=\lambda\nu$ . Diviser ces grandeurs ne donne pas la relation reliant la vitesse, la longueur d’onde et la fréquence.

Answer

$$c=\lambda\nu$$

Question 8

8. Qu’est-ce qu’un photon ?

Une onde lumineuse caractérisée par une seule longueur d’onde

Une particule qui porte un quantum d’énergie

Une mesure de la fréquence d’une onde lumineuse

Une particule du noyau qui porte une charge électrique

Explication

Un photon est une particule qui porte un quantum d’énergie. Une onde caractérisée par une seule longueur d’onde est dite monochromatique ; cette propriété ne définit pas un photon.

Answer

Une particule qui porte un quantum d’énergie

Question 9

9. À fréquence fixée, comment l’énergie d’un photon varie-t-elle si la longueur d’onde de la lumière augmente ?

Elle reste constante, car

E=h\nu

Elle diminue, car

E=\frac{hc}{\lambda}

Elle augmente, car

E=\frac{hc}{\lambda}

Elle augmente, car

E=\frac{h\lambda}{c}

Explication

L’énergie vaut $E=\frac{hc}{\lambda}$ , donc elle diminue lorsque la longueur d’onde augmente. La formule $E=h\nu$ implique aussi cette baisse puisque, à vitesse lumineuse fixée, la fréquence diminue quand la longueur d’onde augmente.

Answer

Elle diminue, car $$E=\frac{hc}{\lambda}$$

Question 10

10. Quelle énergie photonique correspond à une longueur d’onde de 620 nm, avec l’énergie exprimée en eV ?

Environ 2,0 eV, selon

E=\frac{1240}{620}

Environ 4,9 eV, selon

E=\frac{620}{1240}

Environ 1,0 eV, selon

E=\frac{620}{620}

Environ 1240 eV, selon

E=1240\times620

Explication

La relation en unités pratiques donne $E=1240/620=2{,}0$ eV. Inverser le rapport, comme dans le calcul de $620/1240$ , ne respecte pas la relation entre énergie et longueur d’onde.

Answer

Environ 2,0 eV, selon $$E=\frac{1240}{620}$$

Question 11

11. Un métal est éclairé par une lumière de fréquence inférieure à sa fréquence seuil $\nu_0$ . Que se passe-t-il ?

Des électrons sont émis avec une énergie cinétique indépendante du seuil.

Des électrons sont émis avec une faible énergie cinétique.

Des électrons sont émis si l’intensité lumineuse est assez élevée.

Aucun électron n’est émis par le métal.

Explication

L’émission photoélectrique exige que la fréquence de la lumière dépasse la fréquence seuil. Une intensité élevée peut augmenter le courant, mais elle ne permet pas à une fréquence inférieure au seuil de produire une émission.

Answer

Aucun électron n’est émis par le métal.

Question 12

12. Deux faisceaux dépassent la fréquence seuil d’un métal, mais le second a une fréquence plus élevée. Quelle différence prévoit l’effet photoélectrique pour les électrons émis ?

Ils ont la même énergie cinétique avec les deux faisceaux.

Ils ont une énergie cinétique plus faible avec le second faisceau.

Ils sont émis en plus grand nombre avec le second faisceau.

Ils ont une énergie cinétique plus élevée avec le second faisceau.

Explication

Au-dessus du seuil, l’énergie cinétique des électrons émis augmente avec la fréquence lumineuse. Le nombre d’électrons émis est lié à l’intensité, et non à cette relation entre fréquence et énergie cinétique.

Answer

Ils ont une énergie cinétique plus élevée avec le second faisceau.

Question 13

13. Pour une lumière de fréquence supérieure au seuil, quelle relation exprime le bilan entre l’énergie du photon, le travail d’extraction et l’énergie cinétique de l’électron ?

h\nu=T-W

W=h\nu+T

T=hW+\nu

h\nu=W+T

Explication

L’énergie du photon sert à vaincre le travail d’extraction et le reste devient l’énergie cinétique de l’électron, d’où $h\nu=W+T$ . La relation $h\nu=T-W$ soustrait le travail d’extraction au lieu de l’ajouter au bilan énergétique.

Answer

$$h\nu=W+T$$

Question 14

14. Pourquoi le spectre d’émission ou d’absorption d’un gaz d’atomes d’hydrogène présente-t-il des raies plutôt qu’un continuum de longueurs d’onde ?

L’hydrogène échange la lumière à des longueurs d’onde précises.

L’hydrogène échange la lumière sur toutes les longueurs d’onde visibles.

Les raies proviennent d’une émission continue entre deux longueurs d’onde.

Les longueurs d’onde échangées dépendent de l’intensité de la lumière.

Explication

Un gaz d’hydrogène émet et absorbe la lumière à certaines longueurs d’onde précises, ce qui produit des raies. Un spectre continu sur toutes les longueurs d’onde visibles ne correspond pas à cette caractéristique.

Answer

L’hydrogène échange la lumière à des longueurs d’onde précises.

Question 15

15. Pour calculer une longueur d’onde de l’hydrogène avec la formule de Rydberg, quelle expression et quelles conditions sur les entiers faut-il utiliser ?

\lambda=R_H\left(\frac{1}{n^2}-\frac{1}{n'^2}\right)

avec

n<n'

et

R_H=1{,}097\times10^7\ \mathrm{m^{-1}}

\frac{1}{\lambda}=R_H\left(\frac{1}{n^2}-\frac{1}{n'^2}\right)

avec

n<n'

et

R_H=1{,}097\times10^7\ \mathrm{m^{-1}}

\frac{1}{\lambda}=R_H\left(\frac{1}{n^2}+\frac{1}{n'^2}\right)

avec

n<n'

et

R_H=1{,}097\times10^7\ \mathrm{m^{-1}}

\frac{1}{\lambda}=R_H\left(\frac{1}{n'^2}-\frac{1}{n^2}\right)

avec

n<n'

et

R_H=1{,}097\times10^7\ \mathrm{m^{-1}}

Explication

La formule de Rydberg relie l’inverse de la longueur d’onde à la différence entre les inverses des carrés des entiers, avec $n<n'$ et la constante indiquée. Inverser l’ordre de la différence, comme dans une formule proposée, donne le signe opposé à celui de l’expression prescrite.

Answer

$$\frac{1}{\lambda}=R_H\left(\frac{1}{n^2}-\frac{1}{n'^2}\right)$$ avec $$n<n'$$ et $$R_H=1{,}097\times10^7\ \mathrm{m^{-1}}$$

Question 16

16. Une transition d’émission de l’hydrogène aboutit au niveau $n=2$ depuis un niveau $n'\geq3$ . À quelle série et à quelle région spectrale appartient-elle ?

À la série de Paschen, dans l’infrarouge.

À la série de Lyman, dans l’ultraviolet.

À la série de Balmer, dans le visible.

À la série de Brackett, dans l’infrarouge.

Explication

Les transitions qui aboutissent à $n=2$ forment la série de Balmer, située dans le visible. La série de Lyman aboutit à $n=1$ et se trouve dans l’ultraviolet.

Answer

À la série de Balmer, dans le visible.

Question 17

17. Lorsqu’un atome excité émet un photon en se désexcitant, comment évoluent son énergie et celle du photon ?

L’atome passe à un niveau inférieur et émet un photon égal à la différence d’énergie.

L’atome passe à un niveau supérieur et émet un photon égal à la somme des énergies.

L’atome reste au même niveau et émet un photon déterminé par son intensité d’excitation.

L’atome passe à un niveau inférieur et absorbe un photon égal à la différence d’énergie.

Explication

Lors d’une émission, l’atome descend vers un niveau d’énergie inférieur et l’énergie du photon correspond à la différence entre les niveaux. Une transition vers un niveau supérieur correspond au contraire à une absorption.

Answer

L’atome passe à un niveau inférieur et émet un photon égal à la différence d’énergie.

Question 18

18. Quelle propriété des niveaux d’énergie explique que les spectres atomiques comportent des raies discrètes ?

Les longueurs d’onde sont déterminées par la quantité d’atomes éclairés.

Les raies apparaissent lorsque les niveaux d’énergie forment un continuum.

Tous les écarts d’énergie peuvent être émis, mais l’intensité les sélectionne.

Seuls certains écarts d’énergie peuvent être émis ou absorbés.

Explication

Les raies discrètes résultent du fait que seuls certains écarts d’énergie entre niveaux peuvent être échangés sous forme de photons. Un continuum de niveaux conduirait à une gamme continue d’écarts plutôt qu’à ces raies distinctes.

Answer

Seuls certains écarts d’énergie peuvent être émis ou absorbés.

Question 19

19. Un photon provoque une transition entre deux niveaux atomiques séparés par une énergie $\Delta E$ . Quelle condition doit satisfaire sa longueur d’onde ?

hc\lambda=\Delta E

\frac{hc}{\lambda}=\Delta E

\frac{c\lambda}{h}=\Delta E

\frac{h\lambda}{c}=\Delta E

Explication

L’énergie du photon vaut $hc/\lambda$ et doit être égale à l’écart énergétique des niveaux. L’expression $h\lambda/c$ ne représente pas l’énergie du photon et ne donne donc pas la condition de transition.

Answer

$$\frac{hc}{\lambda}=\Delta E$$

Question 20

20. Parmi les espèces suivantes, laquelle est hydrogénoïde au sens où elle possède un seul électron ?

\mathrm{Be}^{2+}

\mathrm{Li}^{+}

\mathrm{Li}^{2+}

\mathrm{He}

Explication

L’ion $\mathrm{Li}^{2+}$ possède trois protons et, après perte de deux électrons, un seul électron. $\mathrm{Li}^{+}$ conserve deux électrons et n’est donc pas une espèce hydrogénoïde.

Answer

$$\mathrm{Li}^{2+}$$

Question 21

21. Quel objectif le modèle de Bohr, présenté en 1913, cherchait-il principalement à atteindre ?

Expliquer les interactions entre électrons dans les atomes polyélectroniques

Expliquer les niveaux d’énergie quantifiés et les positions des raies spectrales

Calculer les masses des noyaux et les abondances isotopiques

Décrire la formation des liaisons et la géométrie des molécules

Explication

Le modèle de Bohr visait à rendre compte des niveaux d’énergie quantifiés et des positions des raies spectrales. La description des interactions électroniques dans les atomes polyélectroniques dépasse son domaine d’application.

Answer

Expliquer les niveaux d’énergie quantifiés et les positions des raies spectrales

Question 22

22. Dans le modèle de Bohr, pourquoi l’électron ne perd-il pas d’énergie en parcourant une orbite stationnaire ?

Il suit une orbite de distance fixe au noyau et ne rayonne pas d’énergie

Il se déplace en spirale vers le noyau tout en absorbant un rayonnement continu

Il change constamment de rayon et compense son rayonnement par des collisions

Il reste immobile par rapport au noyau et ne possède pas d’énergie cinétique

Explication

Une orbite stationnaire est une trajectoire circulaire de rayon fixe sur laquelle l’électron tourne uniformément sans rayonner d’énergie. Une trajectoire en spirale impliquerait au contraire une variation du rayon, ce que ce postulat exclut.

Answer

Il suit une orbite de distance fixe au noyau et ne rayonne pas d’énergie

Question 23

23. Quelle condition le modèle de Bohr impose-t-il au moment cinétique d’un électron sur son orbite ?

Il est égal à la charge de l’électron multipliée par le rayon

Il varie continûment avec la vitesse, sans valeur quantifiée

Il vaut un multiple entier positif de

\frac{h}{\pi}

Il vaut un multiple entier positif de

\frac{h}{2\pi}

Explication

La quantification impose $m_evr=\frac{nh}{2\pi}$ , où $n$ est un entier positif. La condition portant sur $\frac{h}{\pi}$ introduit un facteur deux erroné.

Answer

Il vaut un multiple entier positif de $$\frac{h}{2\pi}$$

Question 24

24. Dans le modèle de Bohr, quel rayon est associé à la troisième orbite de l’hydrogène ?

0{,}529\ \mathrm{Å}

1{,}587\ \mathrm{Å}

4{,}761\ \mathrm{Å}

9{,}522\ \mathrm{Å}

Explication

La relation $r_n=0{,}529n^2\ \mathrm{Å}$ donne, pour $n=3$ , $r_3=0{,}529\times9=4{,}761\ \mathrm{Å}$ . La valeur $1{,}587\ \mathrm{Å}$ provient d’une multiplication par $3$ plutôt que par $3^2$ .

Answer

$$4{,}761\ \mathrm{Å}$$

Question 25

25. Un électron passe d’un niveau bas à un niveau excité, puis revient vers un niveau plus stable : quels échanges de photons accompagnent ces transitions ?

L’excitation absorbe un photon et la relaxation en émet un

Les deux transitions émettent un photon pour diminuer l’énergie

Les deux transitions absorbent un photon pour augmenter l’énergie

L’excitation émet un photon et la relaxation en absorbe un

Explication

L’excitation augmente l’énergie de l’atome par absorption d’un photon, tandis que la relaxation libère un photon et diminue cette énergie. Inverser ces échanges confond les deux processus.

Answer

L’excitation absorbe un photon et la relaxation en émet un

Question 26

26. Quelle énergie minimale un photon doit-il fournir pour ioniser un atome d’hydrogène depuis son état fondamental ?

3,4 eV, soit l’énergie nécessaire pour atteindre le niveau

E_2

13,6 eV, soit l’écart entre

E_1

et le seuil

E_\infty

1,5 eV, soit l’énergie nécessaire pour atteindre le niveau

E_3

10,2 eV, soit l’écart entre les niveaux

E_1

et

E_2

Explication

L’ionisation depuis le niveau initial exige au moins l’énergie $E_\infty-E_n$ , qui vaut 13,6 eV pour l’hydrogène depuis $n=1$ . L’écart de 10,2 eV permet la première excitation, mais ne suffit pas à ioniser l’atome.

Answer

13,6 eV, soit l’écart entre $$E_1$$ et le seuil $$E_\infty$$

Question 27

27. Pour de l’hydrogène froid initialement dans l’état fondamental, que se passe-t-il lorsqu’il absorbe un photon de 12 eV ?

Il est ionisé, car son énergie dépasse le seuil de 10,2 eV

Il peut absorber le photon pour atteindre un niveau excité, sans être ionisé

Il ne peut pas absorber le photon, car son énergie est sous la première raie

Il est ionisé avec émission d’un photon de longueur d’onde 91,2 nm

Explication

Une énergie de 12 eV dépasse la première excitation à 10,2 eV, mais reste sous le seuil d’ionisation de 13,6 eV. Le seuil de 10,2 eV correspond à une excitation, et non à l’ionisation.

Answer

Il peut absorber le photon pour atteindre un niveau excité, sans être ionisé

Question 28

28. Quel phénomène observé en présence d’un champ magnétique n’est pas expliqué par le modèle de Bohr ?

Le dédoublement de raies spectrales

L’existence de niveaux d’énergie quantifiés

La présence de raies spectrales à des positions précises

L’absence de rayonnement sur une orbite stationnaire

Explication

Le modèle de Bohr ne rend pas compte du dédoublement des raies spectrales lorsqu’un échantillon est placé dans un champ magnétique. Les niveaux quantifiés et les positions des raies font, eux, partie des phénomènes que le modèle cherchait à expliquer.

Answer

Le dédoublement de raies spectrales

Question 29

29. Pourquoi le modèle de Bohr ne décrit-il pas correctement les atomes polyélectroniques ?

Il suppose que les électrons absorbent un photon à chaque orbite

Il ne permet pas de décrire les espèces possédant un seul électron

Il ne comporte aucune notion de niveaux d’énergie quantifiés

Il ne prend pas en compte les interactions entre plusieurs électrons

Explication

Le modèle de Bohr est limité aux espèces hydrogénoïdes, car il néglige les interactions entre électrons présentes dans les atomes polyélectroniques. Les espèces à un électron, au contraire, appartiennent au domaine auquel ce modèle s’applique.

Answer

Il ne prend pas en compte les interactions entre plusieurs électrons

QCM : Structure atomique et lumière (29 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Quelle longueur caractérise approximativement un atome ou une liaison C–H ?

2. Quelle valeur correspond à la constante d’Avogadro parmi les constantes utiles en chimie ?

3. Quelle définition décrit un atome dans le cadre de la chimie ?

4. Comment les constituants d’un atome sont-ils organisés ?

5. Quelle répartition des charges électriques entre les particules de l’atome est correcte ?

6. Un atome possède Z=8Z=8Z=8 protons. Quelle information le nombre atomique permet-il d’établir ?

7. Une onde lumineuse a une fréquence ν\nuν et une longueur d’onde λ\lambdaλ. Quelle relation les relie à la vitesse de la lumière dans le vide ?

8. Qu’est-ce qu’un photon ?

9. À fréquence fixée, comment l’énergie d’un photon varie-t-elle si la longueur d’onde de la lumière augmente ?

10. Quelle énergie photonique correspond à une longueur d’onde de 620 nm, avec l’énergie exprimée en eV ?

11. Un métal est éclairé par une lumière de fréquence inférieure à sa fréquence seuil ν0\nu_0ν0​. Que se passe-t-il ?

12. Deux faisceaux dépassent la fréquence seuil d’un métal, mais le second a une fréquence plus élevée. Quelle différence prévoit l’effet photoélectrique pour les électrons émis ?

13. Pour une lumière de fréquence supérieure au seuil, quelle relation exprime le bilan entre l’énergie du photon, le travail d’extraction et l’énergie cinétique de l’électron ?

14. Pourquoi le spectre d’émission ou d’absorption d’un gaz d’atomes d’hydrogène présente-t-il des raies plutôt qu’un continuum de longueurs d’onde ?

15. Pour calculer une longueur d’onde de l’hydrogène avec la formule de Rydberg, quelle expression et quelles conditions sur les entiers faut-il utiliser ?

16. Une transition d’émission de l’hydrogène aboutit au niveau n=2n=2n=2 depuis un niveau n′≥3n'\geq3n′≥3. À quelle série et à quelle région spectrale appartient-elle ?

17. Lorsqu’un atome excité émet un photon en se désexcitant, comment évoluent son énergie et celle du photon ?

18. Quelle propriété des niveaux d’énergie explique que les spectres atomiques comportent des raies discrètes ?

19. Un photon provoque une transition entre deux niveaux atomiques séparés par une énergie ΔE\Delta EΔE. Quelle condition doit satisfaire sa longueur d’onde ?

20. Parmi les espèces suivantes, laquelle est hydrogénoïde au sens où elle possède un seul électron ?

21. Quel objectif le modèle de Bohr, présenté en 1913, cherchait-il principalement à atteindre ?

22. Dans le modèle de Bohr, pourquoi l’électron ne perd-il pas d’énergie en parcourant une orbite stationnaire ?

23. Quelle condition le modèle de Bohr impose-t-il au moment cinétique d’un électron sur son orbite ?

24. Dans le modèle de Bohr, quel rayon est associé à la troisième orbite de l’hydrogène ?

25. Un électron passe d’un niveau bas à un niveau excité, puis revient vers un niveau plus stable : quels échanges de photons accompagnent ces transitions ?

26. Quelle énergie minimale un photon doit-il fournir pour ioniser un atome d’hydrogène depuis son état fondamental ?

27. Pour de l’hydrogène froid initialement dans l’état fondamental, que se passe-t-il lorsqu’il absorbe un photon de 12 eV ?

28. Quel phénomène observé en présence d’un champ magnétique n’est pas expliqué par le modèle de Bohr ?

29. Pourquoi le modèle de Bohr ne décrit-il pas correctement les atomes polyélectroniques ?

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6. Un atome possède $Z=8$ protons. Quelle information le nombre atomique permet-il d’établir ?

7. Une onde lumineuse a une fréquence $\nu$ et une longueur d’onde $\lambda$ . Quelle relation les relie à la vitesse de la lumière dans le vide ?

11. Un métal est éclairé par une lumière de fréquence inférieure à sa fréquence seuil $\nu_0$ . Que se passe-t-il ?

16. Une transition d’émission de l’hydrogène aboutit au niveau $n=2$ depuis un niveau $n'\geq3$ . À quelle série et à quelle région spectrale appartient-elle ?

19. Un photon provoque une transition entre deux niveaux atomiques séparés par une énergie $\Delta E$ . Quelle condition doit satisfaire sa longueur d’onde ?