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Partie 2 / Les couleurs de la lumière et de la matière
Image
Lumière émise par des corps chauds ou des atomes de gaz
EX2
Exercices
Type d’activité :
Couleur
λ (nm)
violet
400-435
bleu
435-500
vert
500-570
jaune
570-600
orange
600-625
rouge
625-700
Loi de Wien :  M  T  2,89.10 3 m.K
1 ev = 1,6.10-19 J
;
h = 6,6.10-34 J.s
;
c = 3,0.108 m.s-1
;
EX1
T(K) =  (°C) + 273
EX4
Répondre par vrai ou par faux en justifiant la
réponse
1)
- Dans une cheminée, un charbon qui apparait
orangé est plus chaud qu’un charbon rouge
tromagnétique de longueur d’onde 400 nm
- Une étoile rouge est plus chaude qu’une étoile
bleue
- Un morceau d’acier « chauffé à blanc » présente un spectre dont le maximum d’intensité se
situe à une longueur d’onde dans le vide plus
grande que dans le cas d’un morceau d’acier
rougi
1.1. Calculer la fréquence d’une radiation élec1.2. Calculer la longueur d’onde (en nm) d’une
radiation électromagnétique
3,2.1014 Hz
de
fréquence
2)
2.1. Calculer l’énergie (en joules et en ev) d’un
photon associé à une radiation dont la longueur
d’onde est de 100 nm dans le vide
EX2
2.2. Quelle est la longueur d’onde dans le vide
d’une radiation associée à un photon dont
l’énergie est 1,5 ev.
1) Rigel est une étoile de la constellation d’Orion
qui émet une lumière bleutée. La longueur
d’onde correspondant au maximum d’émission
est dans le domaine ultraviolet et vaut 210 nm.
EX5
- Donner une estimation de la température de
surface de cette étoile
2) Dans quel domaine de longueur d’onde se
situe le maximum d’énergie rayonnée par le
corps humain de température 37°C ?
EX3
Le spectre d’émission du mercure contient 3
raies intenses : jaune, verte et bleu indigo de
longueurs d’ondes respectives : 579,2 nn ;
546,2 nm ; 436,0 nm
1) Calculer la fréquence des rayonnements des
longueurs d’onde précédentes
2) Calculer l’énergie en ev des photons des longueurs d’onde précédentes
Un atome a absorbé un photon associé à une
radiation de fréquence . Il passe ainsi d’un niveau d’énergie E1 = - 35 ev à un niveau excité
E3 = - 16 ev
1) Calculer la différence d’énergie E entre ces
deux niveaux d’énergie ; convertir E en joules.
2) En déduire la fréquence de la radiation associée au photon absorbé et indiquer de quel type
de rayonnement il s’agit
EX6
Un atome dans un état excité se désexcite en
émettant un photon d’énergie 5,67.10-19 J
1) Calculer la longueur d’onde de la radiation
associée.
2) Dans quel domaine spectral se situe-t-elle ?
EX7
EX9
Un photon d’énergie 10,0 ev est émis dans l’air,
lors d’une transition entre deux niveaux énergétiques d’une molécule.
La longueur d’onde d’un laser hélium-argent est
224 nm
1) Calculer la longueur d’onde de la radiation
associée
2) A quel domaine spectral appartient cette radiation ?
1) Le faisceau est orienté vers un écran blanc
dans une salle plongée dans l’obscurité ; qu’est
ce qui est observé sur l’écran ?
- une petite région éclairée
- une large région éclairée
- rien
2) Quelle serait la température d’une source
EX8
La figure ci-dessous indique les différents niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène ainsi
que les transitions donnant les raies spectrales
de l’atome d’hydrogène (répertoriées en séries
portant le nom de physiciens les ayant découvertes).
chaude capable de produire de la lumière dont
l’intensité maximale serait à cette longueur
d’onde ?
EX10
On a représenté 3 transitions électroniques
1) Quel schéma représente :
-
1) Indiquer sur un axe de longueurs d’onde (en
nm), les limites du domaine des ultraviolets, du
visible et de l’infrarouge dans le vide.
une absorption ?
une émission stimulée ?
une émission spontanée ?
2) Dans le cas de l’émission stimulée, calculer
la longueur d’onde du photon incident
3) Quelles sont les caractéristiques du photon
2)
émis par émission stimulée ?
2.1. Déterminer l’énergie émise lors de la transition des niveaux n = 7 et n = 1 ; même question
pour la transition n = 2 et n = 1
EX11
2.2. En déduire les longueurs d’onde des radiations associées. Dans quel domaine (UV, visible, IR) se situe la série de Lyman ?
Le laser hélium-néon (He-Ne) émet une lumière
monochromatique de longueur d’onde égale à
632,8 nm.
3) Répondre aux mêmes questions pour la série
1) Quelle est l’énergie (en J et en eV) d’un pho-
de Paschen
ton émis par ce laser.
2) Quelle doit être l’énergie d’un photon incident
dans le milieu laser afin de provoquer une émission stimulée.
EX12
1) Calculer la puissance surfacique Ps (en
W/m2) du rayonnement émis par le laser He-Ne
utilisé dans les lycées, de puissance P = 2,0
mW et de faisceau de diamètre 0,4 mm.
2) Comparer cette valeur à la puisssance surfa-
cique du soleil qui peut atteindre 0,1 W/cm2, le
midi, en été.
4) Donner l’expression de l’énergie d’un photon ; en déduire le nombre de photons émis par
le laser lors d’une impulsion.
5) Calculer la puissance du laser
EX15
Le faisceau émis par un laser est très directif ;
l’angle de divergence a est égal à 2,0 milliradians
EX13
Les lasers HE-Ne ont une puissance de 2,0
mW ; ils émettent une radiation de longueur
d’onde 632 nm.
- Quel est l’ordre de grandeur du nombre de
photons émis chaque seconde
EX14
La correction de la myopie par chirurgie laser
consiste à raboter la cornée. Le chirurgien découpe dans un premier temps une fine épaisseur de la cornée à l’aide d’un laser à impulsions femtoseconde. Il utilise ensuite un autre
laser pour remodeler la surface interne de la
cornée. Il replace enfin la fine épaisseur de la
cornée découpée en début d’intervention.
Un laser à impulsion, émet toutes les 500 femtosecondes de très brèves impulsions de lumière. Chaque impulsion a une grande puissance et une faible énergie.
Cela permet de sublimer la matière de façon
très locale en créant des bulles de gaz sans
altérer les tissus limitrophes. En répétant cette
opération, le laser crée dans la cornée des milliers de microbulles de 2 à 3 m de diamètre ce
qui permet de la découper.
Un laser à impulsion émet une lumière dont la
longueur d’onde dans le vide est égale à 1,060
m.
Il délivre une énergie de 1,0 J lors de chaque
impulsion
1) Quelles propriétés du laser sont utilisées en
chirurgie ?
2) Dans quel domaine des ondes électromagnétiques le laser à impulsion décrit dans le texte
émet-il ?
3) Justifier la phrase du texte écrit en italique
- En négligeant le diamètre du faisceau à la sortie du laser, calculer le diamètre de la tache à
une distance de 200 m
EX16
Les lasers à impulsion ultracourtes sont utilisés
dans l’industrie pour usiner, découper, percer
ou souder des pièces métalliques
Dans les lasers les plus courants, les impulsions
ont une durée de 100 fentosecondes et transportent une énergie de 3,0 J.
La durée qui sépare 2 impulsions est 100 000
fois plus longue que l’impulsion elle-même.
1) Calculer la puissance d’une impulsion du
laser.
2) Calculer la puissance moyenne du faisceau
laser