Mines Physique 1 MPI 2026Sujet, corrigé et rapport du jury
Du spectre à la structure de l'hydrogène
Faisable en sup ?
Faisable en partie en MP2I : 8 questions sur 25, partie I en entier. Autres questions faisables en MP2I
Autres premières années : MPSI 13 · PCSI 10 · PTSI 10 · TSI1 7 · BCPST1 6 questions.
Détail par partie
- Partie I : Les raies d'émission de l'hydrogène atomique5/5Faisable
- Partie II : Le modèle de Bohr pour l'atome d'hydrogène2/7En partie
- Partie III : Ondes de matière en physique microscopique1/13En partie
Téléchargements
Présentation du sujet
AccessibleConstruction historique de la mécanique quantique : spectre de l'hydrogène, modèle de Bohr et équation de SchrödingerAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
AccessibleLe sujet retrace la construction historique de la mécanique quantique à partir des spectres de raies des lampes à gaz. Il analyse d'abord le spectre de l'atome d'hydrogène pour obtenir la formule de Balmer, puis étudie le modèle semi-classique de Bohr à l'aide des champs de forces centrales. La dernière partie porte sur l'équation de Schrödinger et ses états stationnaires, jusqu'à la diffraction d'électrons par un cristal et une fonction d'onde à trois dimensions.
- 1Partie 1 : spectre de raies de l'atome d'hydrogèneÀ partir des longueurs d'onde des raies, on établit la formule de Balmer, la constante de Rydberg et l'encadrement des longueurs d'onde des différentes séries.
- 2Partie 2 : modèle semi-classique de BohrOn étudie le mouvement de l'électron dans le champ coulombien du noyau (planéité, moment cinétique, énergie potentielle effective), puis on quantifie les orbites pour obtenir rayons et énergies.
- 3Partie 3 : équation de Schrödinger et états stationnairesOn étudie un puits de potentiel infini, la diffraction d'un faisceau d'électrons par un cristal de nickel avec le courant de probabilité, puis une fonction d'onde sphérique de l'atome d'hydrogène et sa densité radiale.
Accessible. Le jury juge la longueur bien adaptée et décrit un sujet classique, sans difficulté majeure, abordant les programmes des deux années.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesFautes de dimension · Spectre électromagnétique mal connu · Force de Coulomb et énergie potentielleAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe sujet est jugé classique et de longueur adaptée ; les connaissances de cours sur l'équation de Schrödinger sont acquises pour la majorité. Le jury relève cependant trop de fautes de dimension, des applications numériques fantaisistes, des oublis de référentiel et des lacunes en géométrie et trigonométrie. Il regrette aussi des blocs de cours récités sans adaptation à la question posée.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Fautes de dimension
Des résultats non homogènes et une confusion entre dimension et unité, par exemple entre la dimension M de la masse et le mètre, alors que l'énoncé présentait les dimensions au début.
« Il subsiste encore un nombre bien trop important de fautes de dimension dans les résultats proposés par les candidats. »
- 2Spectre électromagnétique mal connuQ1, Q5
Des erreurs sur la relation entre fréquence et longueur d'onde et des valeurs numériques étonnantes pour l'encadrement des séries de raies.
« Il y a des confusions entre ultra-violet et infra-rouge. »
- 3Force de Coulomb et énergie potentielleQ6
L'expression de la force électrostatique et son intégration en énergie potentielle ont donné lieu à de nombreuses erreurs de signe et de primitive.
« Trop de fautes de calcul (signe, primitive) ainsi que d’erreurs sur l’expression de la force de Coulomb. »
- 4Cinématique en coordonnées polairesQ7, Q8
La démonstration de la planéité du mouvement a départagé les candidats, et le carré de la vitesse a parfois été écrit sous une forme fausse.
« La démonstration de la planéité du mouvement est assez discriminante. »
- 5Schéma de diffraction ratéQ21
Schémas faux ou trop petits, erreurs de trigonométrie de base et théorème de Malus invoqué sans contexte.
« Question très mal traitée. Schémas souvent faux et trop petits pour être exploités correctement. »
- 6Intégration en coordonnées sphériquesQ23
Le volume élémentaire sphérique est souvent omis ou mal intégré, et le paramètre R est interprété sans avoir obtenu la densité radiale.
Ce qui a été bien réussi
- Les connaissances de cours sur la mécanique quantique, et en particulier l'équation de Schrödinger, sont acquises pour la majorité des candidats.
- Plusieurs candidats ont pris du recul et commenté de façon critique la valeur numérique obtenue.
- La question 22 a parfois été couronnée de succès, et les questions 24 et 25, peu traitées, ont été brillamment réussies par certains.
Conseils du jury
- Vérifier l'homogénéité de chaque formule et distinguer dimension et unité.
- Connaître le spectre électromagnétique, notamment les domaines ultraviolet et infrarouge.
- Préciser le référentiel d'étude en mécanique et soigner les projections dans une base mobile.
- Adapter les résultats de cours à la question posée au lieu de les réciter.
- Tracer des schémas clairs et assez grands, surtout en optique géométrique.
- Présenter les applications numériques au format scientifique, avec une unité, et commenter leur vraisemblance.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
Corrigé détaillé
25 questionsIndice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question.Afficher ou masquer la section
Corrigé détaillé
25 questions25 questions corrigées une à une : un indice, puis la stratégie, puis le corrigé complet avec le résultat encadré. Chaque question est vérifiée avant publication.
- Q1Exprimer la longueur d'onde en fonction de, de la constante de PLANCK et de la célérité de la lumière dans…
- Q2Montrer que la relation de BALMER exprimée figure 1 par la droite en pointillés, est compatible avec…
- Q3En déduire la valeur numérique de la constante en électronvolt.
- Q4Montrer la relation de RYDBERG: et relier la constante de RYDBERG à la valeur de puis calculer numériquement…
- Q5Lorsque l'état final est, montrer que et donner une estimation de. Quel est le domaine spectral…
- Q6Établir l'expression de l'énergie potentielle d'interaction entre l'électron et le noyau en prenant…
- Q7Montrer que le moment cinétique est une constante du mouvement. En déduire que ce mouvement est plan et que…
- Q8On note. Montrer l'existence d'une fonction permettant d'exprimer l'énergie mécanique de l'électron sous la…
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- Q9Esquisser l'allure de la courbe représentative de. Indiquer sur la courbe, les niveaux d'énergie…
- Q10Exprimer le lien entre, le nombre entier et la constante de PLANCK.
- Q11En déduire les relations exprimant et en fonction de et de et. Comparer à la relation (2).
- Q12Quel est, dans ce modèle, le rayon minimal d'une trajectoire circulaire ? Calculer numériquement, avec un…
- Q13Quelle est l'interprétation physique de ? En déduire la dimension de. Quelle est l'équation différentielle…
- Q14À quelle condition y a-t-il propagation sans atténuation ? Déterminer alors la forme générale de et la…
- Q15La condition d'onde stationnaire représentée sur la figure 4 est-elle identique à celle proposée par BOHR…
- Q16Déduire de l'équation (4) l'expression de l'énergie de la particule en fonction de et.
- Q17La particule est un neutron; l'écart entre état fondamental et premier état excité est. Estimer la dimension…
- Q18Aussi peu intense qu'il soit, le faisceau d'électrons finirait par charger le cristal métallique si son…
- Q19Par l'étude du mouvement des électrons entre K et A, exprimer et en fonction de et.
- Q20Quelles sont la dimension et l'interprétation physique du vecteur ? En déduire l'expression de en fonction…
- Q21Exprimer, en fonction de et, la différence de marche entre deux « rayons électroniques » diffractés par deux…
- Q22Expliquer le choix de pour l'axe des abscisses; en déduire une estimation du paramètre avec un seul chiffre…
- Q23Exprimer en fonction de et puis tracer la courbe représentative de cette fonction. Quelle est…
- Q24Exprimer et l'énergie de l'électron en fonction des constantes physiques et; comparer au modèle de BOHR.
- Q25Déterminer l'énergie potentielle moyenne de l'électron. En déduire son énergie cinétique moyenne à partir de…
Description
Le sujet retrace la construction historique de la mécanique quantique à partir des spectres de raies des lampes à gaz. Il analyse d'abord le spectre de l'atome d'hydrogène pour obtenir la formule de Balmer, puis étudie le modèle semi-classique de Bohr à l'aide des champs de forces centrales. La dernière partie porte sur l'équation de Schrödinger et ses états stationnaires, jusqu'à la diffraction d'électrons par un cristal et une fonction d'onde à trois dimensions.
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L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
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ÉCOLE NATIONALE DES PONTS et CHAUSSÉES, ISAE-SUPAERO, ENSTA, TÉLÉCOM PARIS, MINES PARIS - PSL, MINES SAINT-ÉTIENNE, MINES NANCY, IMT ATLANTIQUE, ENSAE PARIS, CHIMIE PARISTECH - PSL.
Durée de l'épreuve : 3 heures
L'usage de la calculatrice ou de tout dispositif électronique est interdit.
Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre.
Du spectre à la structure de l'hydrogène
Le sujet décrit certains aspects de la construction historique de la mécanique quantique, à partir de l'observation de spectres de raies pour l'émission de lumière par les lampes à gaz jusqu'à l'étude des fonctions d'onde des particules élémentaires. Un paramètre essentiel du passage de la mécanique classique à la mécanique quantique est l'impulsion. Ce terme désigne, dans le langage général, l'élan initial qu'on donne à un objet qui poursuit ensuite son mouvement. Il a un sens plus spécifique en physique, depuis son introduction sous le nom impetus au Moyen Âge : en mécanique classique, un point matériel de masse
Pour éviter toute confusion, l'énoncé emploiera la notation
I Les raies d'émission de l'hydrogène atomique
- □- 1. Exprimer la longueur d'onde
λ_0 en fonction deE_i, E_f , de la constante de Planckh et de la céléritéc de la lumière dans le vide.
Dans le domaine visible les lampes à vapeurs d'hydrogène atomique émettent essentiellement cinq raies dont les longueurs d'onde figurent (avec deux chiffres significatifs) dans le tableau ci-dessous :Numéro k 1 2 3 4 5 Nom usuel de la raie H_α H_β H_γ H_δ H_ε λ_0(nm) 660 490 440 410 400

- □- 2. Montrer que la relation de Balmer exprimée figure 1 par la droite en pointillés, est compatible avec l'expression :
E_n = − (E_0)/(n^2) avec n ∈ ℕ^∗
où l'état initial estn_i = k + 2 et l'état final estn_f = 2 etE_0 une constante positive. - □- 3. En déduire la valeur numérique de la constante
E_0 en électronvolt.
La relation de Balmer sera ensuite généralisée par Rydberg en 1888 pour tenir compte des raies d'émission hors du domaine visible (dans l'infrarouge et dans l'ultraviolet) en ne supposant plus quen_f = 2 : il suffit en fait quen_i > n_f pour observer une raie d'émission. - □- 4. Montrer la relation de Rydberg :
1/(λ_0) = R_∞(1/(n_f^2) − 1/(n_i^2))
et relier la constante de RydbergR_∞ à la valeur deE_0 puis calculer numériquement1/R_∞ en nanomètres. - □- 5. Lorsque l'état final est
n_f = 1 , montrer queλ_0 ⩽ λ_(max) et donner une estimation deλ_(max) . Quel est le domaine spectral correspondant à ces raies d'émission?
Lorsque l'état final estn_f > 2 , montrer queλ_0 ⩾ λ_(min) et donner une estimation deλ_(min) . Quel est le domaine spectral correspondant à ces raies d'émission?
Finalement, quelles sont les seules raies du spectre d'émission d'une lampe à vapeurs d'hydrogène atomique observables dans le visible?
La première interprétation physique des résultats de Balmer et Rydberg a été proposée par Bohr en 1913; elle fait l'objet de la partie II. Cette interprétation a ensuite été abandonnée au profit de la résolution de l'équation de Schrödinger (1922), qui est abordée dans la partie III.
II Le modèle de Bohr pour l'atome d'hydrogène
II.A Énergie potentielle effective
- □- 6. Établir l'expression de l'énergie potentielle d'interaction
E_p(r) entre l'électron et le noyau en prenant l'origine des énergies potentielles enr → ∞ . - □- 7. Montrer que le moment cinétique
s⃗ = r⃗ ∧ p⃗ est une constante du mouvement. En déduire que ce mouvement est plan et que le plan du mouvement contient la positionO du noyau.
Dans la suite on étudiera le mouvement dans ce plan(Oxy) et en coordonnées polaires(r, θ) . - □- 8. On note
r˙ = (dr)/(dt) . Montrer l'existence d'une fonctionU(r) permettant d'exprimer l'énergie mécaniqueE de l'électron sous la formeE = 1/2m_e r˙^2 + U(r) et exprimerU(r) en fonction des = ‖s⃗‖, r, e, m_e etε_0 . - -- 9. Esquisser l'allure de la courbe représentative de
U(r) . Indiquer sur la courbe, les niveaux d'énergie correspondants aux 4 types d'orbites possibles. On décrira le comportement et le type de trajectoire associée à chacune de ces orbites en précisant les rayons caractéristiques.
À partir de l'étude de cette courbe déterminer les expressions du rayonr_c(s) , de l'impulsionp_c(s) et de l'énergieE_c(s) des trajectoires circulaires (figure 2) en fonction des, m_e ,e etε_0 .

II.B L'hypothèse de quantification de Bohr
que seules sont stables les trajectoires circulaires pour lesquelles le périmètre de la trajectoire permet la formation d'une onde stationnaire de longueur d'onde

- □- 11. En déduire les relations exprimant
r_c(n), p_c(n) etE_c(n) en fonction den et deh, e, m_e etε_0 . Comparer à la relation (2). - □- 12. Quel est, dans ce modèle, le rayon minimal
r_(c, min) d'une trajectoire circulaire?
Calculer numériquement, avec un seul chiffre significatif, ce rayon minimal; commenter. Le modèle semi-classique de Bohr a été ensuite abandonné au profit de la résolution de l'équation de Schrödinger.
III Ondes de matière en physique microscopique
III.A États quantiques stationnaires
- □- 13. Quelle est l'interprétation physique de
∫_𝒟|Ψ_–(x, t)|^2 Sdx ?
En déduire la dimension deΨ(x, t) .
Quelle est l'équation différentielle vérifiée parψ_–(x) ?
Donner l'expression de l'énergie de la particule.
Ici, et dans toute la suite, on s'intéresse aux situations telles queV(x) = V_0 est une constante. - □- 14. À quelle condition y a-t-il propagation sans atténuation?
Déterminer alors la forme générale deψ_– et la longueur d'ondeλ associée.
En déduire l'impulsion de la particule dans le cas d'un sens unique de propagation.
La relation entre impulsionp et énergie cinétiqueK = E − V(x) est-elle la même qu'en physique classique?
III.B Ondes stationnaires et états liés

□ - 16. Déduire de l'équation (4) l'expression de l'énergie
□ - 17. La particule est un neutron; l'écart entre état fondamental et premier état excité est
III.C Ondes progressives et diffraction

- □- 18. Aussi peu intense qu'il soit, le faisceau d'électrons finirait par charger le cristal métallique si son support était isolé électriquement. Pourquoi n'est-ce pas souhaitable?
Pour le décharger, faut-il le relier électriquement à la masse ou bien aux électrodes A et B? Justifier. - □- 19. Par l'étude du mouvement des électrons entre K et A, exprimer
p etE en fonction deV_A ,m_e ete . - □- 20. Quelles sont la dimension et l'interprétation physique du vecteur
J⃗ = |Ψ_–|^2(p⃗)/(m_e) ?
En déduire l'expression deψ_0 en fonction deΦ_0, p etm_e . Y a-t-il eu perte de généralité en supposantψ_0 > 0 ?

- □- 21. Exprimer, en fonction de
a etθ , la différence de marcheδ entre deux «rayons électroniques» diffractés par deux plans réticulaires consécutifs du réseau.
En déduire une relation liant la longueur d'ondeλ du faisceau électronique,a, θ et l'ordreq d'interférence pour observer un faisceau diffracté intense.

- □- 22. Expliquer le choix de
√V pour l'axe des abcsisses; en déduire une estimation du paramètrea avec un seul chiffre significatif; commenter cette valeur.
III.D Retour sur l'atome d'hydrogène
La densité radiale de probabilité
- □- 23. Exprimer
ρ(r) en fonction deR etr puis tracer la courbe représentative de cette fonction. Quelle est l'interprétation géométrique deR ? - □- 24. Exprimer
R et l'énergieE de l'électron en fonction des constantes physiquesh, e, m_e etε_0 ; comparer au modèle de Bohr. - □- 25. Déterminer l'énergie potentielle moyenne de l'électron
⟨V⟩ .
En déduire son énergie cinétique moyenne⟨K⟩ à partir de la valeur de son énergie totaleE ; commenter.
Valeurs numériques et données pour l'ensemble du sujet
Constantes fondamentales
| Célérité de la lumière dans le vide |
|
| Charge élémentaire |
|
| Constante de Planck |
|
| Masse de l'électron |
|
| Masse du neutron |
|
| Permittivité du vide |
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Quelques valeurs numériques
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Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Mines physique 1 MPI 2026 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Mines physique 1 MPI 2026 ?
Le sujet porte sur les spectres de raies et la formule de Balmer, le mouvement dans un champ de force centrale avec le modèle de Bohr, puis l'équation de Schrödinger, le puits infini et la diffraction des électrons.
Le sujet Mines physique 1 MPI 2026 était-il difficile ?
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Le sujet de physique 1 Mines 2026 est-il commun aux filières MP et MPI ?
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