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Physique-Chimie · Prépa concours post-bac — Écoles militaires & royales

L'atome et la mécanique de Newton

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Le modèle de Bohr repose sur deux postulats :

  1. L'électron ne peut occuper que des orbites circulaires bien définies d'énergies quantifiées : $E_n = -\frac{E_0}{n^2}$ avec $E_0 = 13,6 , \text{eV}$ pour l'hydrogène.
  2. L'émission ou l'absorption d'un photon se produit lors d'une transition entre deux niveaux : $\Delta E = |E_p - E_n| = h \cdot \nu = \frac{h \cdot c}{\lambda}$.

En mécanique classique, pour un électron en mouvement circulaire uniforme autour d'un noyau (charge $+Ze$) :

  • La force de Coulomb est : $F = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{Ze^2}{r^2}$.
  • D'après la 2ème loi de Newton : $F = m \cdot a = m \cdot \frac{v^2}{r}$.
  • On en déduit : $v = \sqrt{\frac{Ze^2}{4\pi\varepsilon_0 mr}}$.

Méthodes à maîtriser

  • Calculer l'énergie d'un photon émis ou absorbé en Joules ou en eV ($1 , \text{eV} = 1,6 \cdot 10^{-19} , \text{J}$).
  • Utiliser la relation de Bohr pour déterminer la longueur d'onde $\lambda$ d'une radiation.
  • Appliquer la 2ème loi de Newton pour retrouver la vitesse ou le rayon de l'orbite.

Exemples corrigés

Exemple : Transition de $n=3$ vers $n=2$. $\Delta E = E_3 - E_2 = -13,6 (\frac{1}{3^2} - \frac{1}{2^2}) = -13,6 (\frac{1}{9} - \frac{1}{4}) = 1,89 , \text{eV}$. $\lambda = \frac{h \cdot c}{\Delta E} = \frac{6,63 \cdot 10^{-34} \cdot 3 \cdot 10^8}{1,89 \cdot 1,6 \cdot 10^{-19}} \approx 657 , \text{nm}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir les eV en Joules lors des calculs avec $h$ et $c$.
  • Confondre l'énergie du niveau (négative) avec la variation d'énergie (toujours positive).
  • Oublier le signe « - » dans l'expression de l'énergie de l'atome.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 L'atome et la mécanique de Newton

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L'énergie d'un photon est proportionnelle à :

❓ Questions fréquentes

C'est quoi la différence entre l'état fondamental et l'état excité ?

L'état fondamental est le niveau d'énergie le plus bas ($n=1$), où l'électron est le plus stable. L'état excité correspond à n'importe quel niveau supérieur ($n > 1$). L'électron y est instable et tend à revenir vers l'état fondamental en émettant un photon.

💡 À retenir : État fondamental = stabilité maximale, énergie minimale.

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Pour calculer l'énergie du photon émis, tu fais la différence entre les deux niveaux d'énergie : $\Delta E = E_{initial} - E_{final}$. Comme l'énergie du photon est positive, on prend la valeur absolue : $E_{photon} = |E_p - E_n|$.

💡 À retenir : $E_{photon} = |E_{final} - E_{initial}|$.

Est-ce que l'électron peut avoir n'importe quelle énergie dans l'atome ?

Non, l'énergie est quantifiée. Cela signifie que l'électron ne peut prendre que des valeurs discrètes (précises) données par la relation $E_n = -E_0/n^2$. Il ne peut pas se trouver entre deux niveaux.

💡 À retenir : L'énergie est quantifiée, pas continue.

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Non, l'état excité est instable. L'électron y reste un temps très court (de l'ordre de $10^{-8}$ secondes) avant de redescendre vers un niveau inférieur en libérant de l'énergie sous forme de photon.

💡 À retenir : L'état excité est transitoire.

Quelle est la relation entre la fréquence nu et la longueur d'onde lambda ?

La relation est $\lambda = \frac{c}{\nu}$, où $c$ est la célérité de la lumière dans le vide ($3 \cdot 10^8 , \text{m/s}$).

💡 À retenir : $\lambda \cdot \nu = c$.

Pourquoi l'énergie des niveaux est-elle négative ?

Par convention, l'énergie est nulle quand l'électron est totalement libéré de l'attraction du noyau (à l'infini). Comme l'électron est lié au noyau, il faut lui fournir de l'énergie pour le libérer, donc son énergie est inférieure à zéro.

💡 À retenir : $E < 0$ signifie que l'électron est lié.

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C'est simple : si l'électron monte d'un niveau bas vers un niveau haut, il doit absorber de l'énergie (absorption). S'il descend d'un niveau haut vers un niveau bas, il libère de l'énergie (émission).

💡 À retenir : Montée = Absorption, Descente = Émission.

Quelle force maintient l'électron sur son orbite ?

C'est la force d'interaction électrostatique (force de Coulomb) exercée par le noyau sur l'électron. Elle joue le rôle de force centripète.

💡 À retenir : $F_{coulomb} = F_{centripète}$.

Quelle est la valeur de la constante de Planck ?

La constante de Planck $h$ vaut environ $6,63 \cdot 10^{-34} , \text{J}\cdot\text{s}$.

💡 À retenir : $h \approx 6,63 \cdot 10^{-34} , \text{J}\cdot\text{s}$.

Est-ce que le rayon de l'orbite dépend du niveau n ?

Oui, dans le modèle de Bohr, le rayon de l'orbite $r_n$ est proportionnel au carré du nombre quantique $n$ : $r_n = n^2 \cdot a_0$ (où $a_0$ est le rayon de Bohr). Plus $n$ est grand, plus l'électron est loin du noyau.

💡 À retenir : $r_n \propto n^2$.

Comment convertir des Joules en électron-volts ?

Pour passer des Joules aux eV, tu divises par $1,6 \cdot 10^{-19}$. Pour passer des eV aux Joules, tu multiplies par $1,6 \cdot 10^{-19}$.

💡 À retenir : $1 , \text{eV} = 1,6 \cdot 10^{-19} , \text{J}$.

Est-ce que le modèle de Bohr explique tous les atomes ?

Non, le modèle de Bohr ne fonctionne parfaitement que pour l'atome d'hydrogène et les ions hydrogénoïdes (ions avec un seul électron). Pour les atomes plus complexes, on utilise la mécanique quantique moderne.

💡 À retenir : Modèle limité à l'hydrogène.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un électron dans un atome d'hydrogène passe du niveau $n=4$ au niveau $n=2$.

  1. Calculer la variation d'énergie $\Delta E$ en eV.
  2. Calculer la longueur d'onde $\lambda$ du photon émis. Données : $E_0 = 13,6 , \text{eV}$, $h = 6,63 \cdot 10^{-34} , \text{J}\cdot\text{s}$, $c = 3 \cdot 10^8 , \text{m/s}$.
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Exercice 2

En utilisant la 2ème loi de Newton, montrer que la vitesse de l'électron sur une orbite de rayon $r$ est $v = \sqrt{\frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0 mr}}$.

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Exercice 3

Un atome d'hydrogène au repos absorbe un photon de longueur d'onde $\lambda = 102,6 , \text{nm}$. Déterminer le niveau d'arrivée $n$ sachant qu'il était à l'état fondamental ($n=1$).

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