Chapitre 16 : le monde quantique
Détermination de la concentration en
dioxyde de soufre de l’air dans une grande agglomération (USA 2007 4 points)
On se propose d’étudier dans cet exercice une des
méthodes permettant de déterminer la concentration en dioxyde de soufre dans
l’air : la fluorescence ultraviolet (UV).
Principe de la méthode
Dans l’air ambiant, les molécules de dioxyde de
soufre SO2 sont dans un état d’énergie « fondamental »
stable E0. L’air ambiant est aspiré par un analyseur, filtré pour
éliminer
les éléments « parasites » pour la mesure, puis envoyé dans une
chambre de réaction dans laquelle il est soumis à un rayonnement ultraviolet
dont la longueur d’onde est
l1 = 214 nm et
provenant d’une lampe à vapeur de zinc (figure 1). Les molécules de dioxyde de
soufre de l’air sont ainsi portées dans un état d’énergie E1. Cet
état étant
instable, le dioxyde de soufre de l’air se désexcite alors très rapidement et
arrive dans un état d’énergie E2 différent de E0 en
émettant un rayonnement UV de longueur d’onde l2 supérieure à celle du rayonnement
d’excitation. Le rayonnement UV est reçu par un photomultiplicateur qui donne
alors une tension de sortie US proportionnelle à la
concentration en dioxyde de soufre présent dans la chambre de réaction.
Figure 1 : schéma
simplifié d’un analyseur de fluorescence ultraviolet
Données :
- h =
6,63×10-34 J.s
- c =
3,00×108 m.s-1
- 1 eV =
1,60×10-19 J
- 1 ppbv (partie
par milliard en volume) = 2,66 μg.m-3 pour le dioxyde de
soufre
1. Étude du diagramme simplifié des niveaux
d’énergie.
1.1 Comment appelle-t-on l’état d’énergie E1 de la molécule de
dioxyde de soufre ?
1.2
En vous aidant du texte, placer sur le
diagramme en annexe, à rendre avec la
copie, les états d’énergie E0,
E1 et E2, en justifiant la démarche.
2. Étude de la transition entre les états d’énergie E0
et E1.
2.1
Cette transition correspond-elle à
une émission ou une absorption de lumière ?
Justifier la réponse.
2.2 Représenter sur le diagramme cette transition par une flèche notée 1.
2.3
Donner l’expression littérale de
l’énergie ΔE1 correspondant à la transition en
fonction des données. La calculer en eV.
3. Étude de la transition entre les états d’énergie E1
et E2.
Au cours de cette transition
les molécules échangent avec l’extérieur une quantité
d’énergie ΔE = 3,65 eV.
3.1 Représenter sur le diagramme cette transition par une flèche notée 2.
3.2
Déterminer, en nm, la longueur
d’onde de la radiation émise l2. Cette radiation
est-elle bien dans le domaine de
l’ultraviolet ? Justifier la réponse.
Exercice III : Annexe à rendre avec la copie
Diagramme simplifié des niveaux d’énergie de la molécule
de dioxyde de soufre sans considération d’échelle