1011-compo1-correction.doc

NOM :
Ven 15 oct 2010

CORRECTION de la COMPOSITION de PHYSIQUE et CHIMIE
SECONDE J

Durée : 1h30
Calculatrice autorisée


Partie I - chimie : (18 points)


Exercice 1 - Le radon, un gaz radioactif d'origine naturelle (9 points)


Le radon est un élément chimique du tableau périodique de symbole Rn et de
numéro atomique Z = 86. C'est un gaz radioactif d'origine naturelle
provenant de la désintégration du radium, lui-même issu de la
désintégration de l'uranium contenu dans la croûte terrestre. Il est
inodore et incolore. Il est présent partout à la surface de la Terre mais
plus particulièrement dans les sous-sols granitiques et volcaniques. En
France, les régions riches en radon sont la Bretagne, le Massif central,
les Vosges et la Corse.

Il existe 34 isotopes de radon connus jusqu'à ce jour. Seuls 3 de ces
isotopes se rencontrent dans la nature :

Le radon 222 (L'isotope le plus stable)
Le radon 220

Le radon 219



1 . Donner la composition d'un atome de radon 222. (2 pts)

Z = 86 donc le noyau contient 86 protons
A = 222 donc le noyau contient A - Z = 136 neutrons
Le cortège électronique contient 86 électrons

2 . Quand dit-on que deux noyaux sont isotopes ? (1 pt)

Deux noyaux isotopes contiennent le même nombre de protons mais un nombre
de neutron différent. (même Z mais A différents)

3 . Ecrire la représentation symbolique de l'isotope le plus stable. (1 pt)

[pic]
4 . Soit un noyau atomique inconnu de masse m = 3,674 x 10-25 kg et de
charge électrique Q = 1,376 x 10-17 C

a. Déterminer le numéro atomique Z de ce noyau. (2 pts)

Le numéro atomique représente le nombre de protons dans le noyau. Chaque
protons a pour charge la charge électrique élémentaire e. En divisant la
charge totale Q du noyau par la charge e, on obtient le nombre de protons
présents dans le noyau :

Z = Q / e = 1,376 x 10-17 / 1,6 x 10-19 = 86

b. Calculer le nombre de nucléons que possède ce noyau. (2 pts)

A représente le nombre de neutrons et de protons dans le noyau. Protons et
neutrons ont sensiblement la même masse. En divisant la masse du noyau par
celle d'un nucléon, on trouve le nombre de nucléons qui constituent le
noyau :

A = m / mn = 3,674 x 10-25 / 1,67 x 10-27 = 220

c. Ecrire la représentation symbolique de ce noyau. (1 pt)
[pic]
Données :

masse d'un nucléon mn = 1,67 x 10-27kg. Charge électrique
élémentaire : e = 1,6 x 10-19C


Exercice 2 - Production de rayon X (9 points)


Dans certaines conditions (après un bombardement par des particules de
hautes énergies, par exemple), un électron de la couche profonde (K) d'un
atome peut être éjecté. Le « trou » laissé est vite comblé par le passage
d'un électron d'une couche moins profonde, (L) ou (M), vers la couche (K).
L'intérêt d'une telle expérience est qu'en passant d'une couche (L) ou (M)
vers une couche (K), l'électron produit des rayons X.

1 . Montrer que cette expérience produit un ion à partir d'un atome. L'ion
formé est-il un anion ou un cation ? (2 pts)

Si un électron de la couche K est « éjecté », la neutralité électrique de
l'atome est rompu puisque celui-ci perd la charge de l'électron « -e ». On
obtient donc un édifice chargé, nommé ion. Cet édifice étant chargé
positivement, on parle alors de cation.

2 . Combien d'électrons peuvent, au plus, êtres éjectés d'une couche (K) ?
(1 pt)

La couche K contient 2 électron au maximum.

3 . Citer une application utile des rayons X. (1 pt)

Les rayons X sont utilisés en médecine en radiographie.

4 . L'atome d'aluminium a pour numéro atomique Z = 13, et son nombre de
nucléons est A = 27. Quelle est sa structure électronique avant le
bombardement ? Et après le bombardement (on supposera que le trou laissé
vacant est comblé par un électron de la couche externe) ? (2 pts)

Avant bombardement, l'atome d'aluminium qui possède 13 électrons a pour
structure électronique : (K)2(L)8(M)3
Lors du bombardement, un électron de la couche K est éjecté. Le trou est
rapidement comblé par un électron de la M. On obtient la structure
électronique : (K)2(L)8(M)2

5 . Quel est le symbole de l'ion ainsi formé ? (1 pt)
[pic]
6 . Habituellement, quel ion obtient-on à partir de l'atome d'aluminium ?
Pourquoi ? (2 pts)

L'atome d'aluminium de structure electronique (K)2(L)8(M)3 a intérêt à
perdre les trois électrons de sa couche externe (couche M) pour ressembler
au gaz rare le plus proche (Ne : (K)2(L)8). Il forme alors l'ion Al3+
Partie II - Physique : (12 points)

Exercice 3 - Modélisation d'une échographie (12 points)

Dans un récipient rempli d'eau, on place une plaque de Plexiglas
d'épaisseur e. L'eau simule les tissus mous, la plaque de Plexiglas un
muscle dense. Une sonde échographique, constituée d'un émetteur E et d'un
récepteur R, est plongée dans l'eau. Le schéma de principe est représenté
ci-dessous :
[pic]


Les signaux émis et reçus par la sonde sont très brefs. Sur les
oscillogrammes, on représente par un pic simple ces signaux. On choisit
l'origine des dates à l'instant précis de l'émission du signal par
l'émetteur E.


Donnée : la durée de balayage de l'oscilloscope vaut : B = 20 (s/div


( L'oscillogramme n°1 est obtenu sans la plaque de Plexiglas. On note tR
la date à laquelle on visualise l'écho réfléchi sur l'objet réflecteur.


( L'oscillogramme n°2 est obtenu avec la plaque de Plexiglas. On note tA
et tB les dates auxquelles la sonde détecte les ondes réfléchies par les
faces de la plaque de Plexiglas. On note tR' la date à laquelle on
détecte le nouvel écho sur l'objet réflecteur.


1 . Calculer tR.


tR = B.X avec X = 7 div (nombre de divisions horizontales entre le
pic émetteur et le pic récepteur.


tR = 20.7 = 140 (s


2 . Exprimer tR en fonction de D et de la vitesse v des ultrasons dans
l'eau.


V = 2.D / tR d'où : tR = 2.D / v


3 . En analysant les oscillogrammes 1 et 2, comparer les vitesses de
propagation des ultrasons dans l'eau et dans le plexiglas.


Sur l'oscillogramme 1, on voit que le signal émis à l'instant t = 0s met
140 microsecondes pour parcourir une distance 2.D en se propageant
uniquement dans l'eau.
Sur l'oscillogramme 2, on voit que le signal émis à l'instant t = 0s met
120 microsecondes pour parcourir la même distance 2.D en se propageant
dans l'eau et dans le plexiglas.


On peut donc en conclure que les ondes ultrasonores se propagent plus
rapidement dans le plexiglas que dans l'eau.


4 . On considère l'onde ultrasonore qui est détectée par R à l'instant
tR'. Exprimer la distance totale L parcourue par cette onde, uniquement
dans l'eau, en fonction de D et e.


L = 2.( D - e )

5 . Exprimer tA en fonction de d et v.


tA = 2.d / v


6 . Exprimer tB en fonction de d, e, v et v' où v' représente la vitesse
de propagation de l'onde ultrasonore dans le plexiglas.


tB = ( 2.d / v ) + ( 2.e / v' )