COURS DESTRUCTURE DE LA
MATIÈRE(Module Ph 13)
04/10/2010 Cours de structure de la matière Ph 13
M. Bouguechal IPSA 2010-2011
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COURS DESTRUCTURE DE LA MATIÈRE SDM(Module Ph 13)
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VOLUME
HORAIRE :
24 heures Séances
Cours : 12 heures 6
Travaux dirigés : 12 heures 6
Contrôles : 1 devoir surveillé de 2 heures
et 1 examen partiel de 2
heures
Sommaire
1) La lumière onde ou corpuscule ?
a) La diffraction
b) Les fentes de Young
c) L’effet photoélectrique
d) Le rayonnement d’un corps
e) Le postulat de Planck
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2) Les limites de la mécanique classique
a) Spectre d’émission de l’atome d’hydrogène
b) La théorie de Bohr
c) Les limites de la théorie de Bohr
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3) Les bases de la mécanique quantique
a) La relation de De Broglie
b) Le principe d’incertitude de Heisenberg
c) L’équation de Schrödinger
d) Les solutions de l’équation de Schrödinger
pour l’atome d’hydrogène.
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4) Les atomes polyélectroniques
a) L’atome polyélectronique
b) Règles de remplissage des couches et sous-
couches
c) Règles de Slater
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5) La classification périodique des éléments
a) Classement des éléments
b) Les familles
c) Variation des masses atomiques
d) Variation des rayons atomiques
e) Variation des potentiels d’ionisation
f) Variation de l’électronégativité
g) Variation des rayons de valence
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6) Structure électronique des molécules
a) Théorie de l’hybridation
i. Introduction
ii. Hybridation sp3
iii. Hybridation sp2
iv. Hybridation sp
v. Hybridation d sp3
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b) Géométrie des molécules ( méthode VSEPR )
i. Introduction
ii. Résultats expérimentaux
iii. Principes de la méthode VSEPR
iv. Les différents arrangements des doublets
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1) La lumière onde ou corpuscule ?
a) La diffraction
b) Les fentes de Young
c) L’effet photoélectrique
d) Le rayonnement d’un corps
e) Le postulat de Planck
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A la fin du XIX siècles les physiciens ont attribué à la
lumière une nature ondulatoire : les phénomènes
d’interférence : trous d’Young; miroir de Fresnel; les
phénomène de diffraction par un trou, par un angle montrent
bien que la lumière se comporte comme une onde ; il était
donc exclu de lui donner une autre nature que la nature
ondulatoire.
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Ondes mécaniques ondes et ondes
stationnaires\longitudinales\son.htm
http://gilbert.gastebois.pagesperso-
orange.fr/java/son/ondes.htm
Diffraction Cours SDM un\diffraction\diffraction.html
http://gilbert.gastebois.pagesperso-
orange.fr/java/diffraction/diffraction.html
Les fentes de Young Cours SDM un\interf\interference.htm
http://gilbert.gastebois.pagesperso-
orange.fr/java/interference/interference.htm
L’effet photoélectrique Cours SDM un\photoelectrique\photo.htm
http://gilbert.gastebois.pagesperso-
orange.fr/java/photo/photo.htm
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La diffraction est un phénomène optique que l’on observe
lorsque la lumière traverse une petite fente ou un angle.
La diffraction
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On observe, quand on envoie un faisceau lumineux sur deux
fentes ( ou deux trous ) une structure complexe de figures
d'interférence que l'on peut interpréter par le principe de
Huygens ( interférence mécanique ).
Les fentes de Young
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Young Thomas (1773-1829):
Physicien, médecin et égyptologue
britannique. Il est surtout connu pour
sa définition du module de Young en
science des matériaux et pour son
expérience des fentes de Young en
optique.
Christian Huygens (1629-1695)
Mathématicien, astronome et un
physicien néerlandais
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Newton était le seul, à l’époque, à penser que la lumière
avait une nature corpusculaire, c'est-à-dire que la lumière
était formée de petites particules. La décomposition de la
lumière blanche par un prisme étudiée par Newton lui
permettait de penser que la lumière n’était pas une onde.
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Newton Isaac (1643-1727) :
Philosophe, mathématicien, physicien,
alchimiste et astronome anglais.
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Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894):
Ingénieur et physicien allemand
Deux études expérimentales montraient les limites de la
théorie ondulatoire.
- L’étude du rayonnement émis par un corps
- La découverte de l’effet photoélectrique par Hertz
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L’effet photoélectrique
L’effet photoélectrique, découvert par Hertz (1887),
consiste en l’émission d’électrons par une plaque
métallique irradiée par un rayonnement ultraviolet. Le
dispositif expérimental typiquement utilisé dans l’étude de
cet effet est schématisé sur la figure suivante. Il permet de
mesurer le courant électrique associé aux électrons émis,
l’énergie cinétique de ces électrons en fonction de
l’intensité et de la fréquence de la lumière incidente.
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A l'origine, Hertz a découvert l'effet photoélectrique en
exposant à de la lumière une plaque de zinc fraîchement
polie et donc chargée négativement. Il constate que cette
plaque perd sa charge négative lorsqu'elle est exposée à
une lumière monochromatique ultraviolette.
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Initialement l’électroscope est chargé, pour certaines
longueurs d’onde l’électroscope se décharge, pour
d’autres rien ne se passe.
La lumière a arraché des électrons à la plaque de zinc
pour des longueurs d’onde données.
Cet effet ne se produit que si la longueur d’onde de la
lumière chromatique est inférieure à une certaine
longueur d’onde seuil s. Cette valeur seuil ne dépend
que de la nature du métal
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Si on considère les ultraviolets comme des ondes, les
ondes apportant progressivement l'énergie aux atomes, il
suffirait d'éclairer le métal pendant une longue durée pour
que le phénomène se produise. Or, on constate que le
phénomène ne dépend pas du temps d’exposition , mais de
la longueur d’onde, pour un métal donné, ce qui contredit
le modèle ondulatoire.
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Le rayonnement d’un corps
Quand on chauffe un métal, le métal apparaît
successivement: rouge, orange, blanc (3000 C), bleu pâle,
sombre (6000 C).
Pour un corps noir:
- D’après la Loi de Wien λmax*T = 2,897.8 10 -3 S.I
- D'après la Loi de Stephan-Boltzmann, la densité de flux
d'énergie ou densité de puissance ou émittance énergétique
Mo(T) (en W m-2) émis par le corps noir varie en fonction de la
température absolue T (exprimée en Kelvin) selon la formule:
Mo(T) = σ T4
où σ est la constante de Stephan-Boltzmann qui vaut environ
5,67.10-8 Wm-2K-4.
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On prédisait donc alors une grande intensité émise dans
l’UV: tout devrait « briller » dans le noir. C’est ce
désaccord considérable entre la réalité expérimentale et les
modèles de l’époque qu’on appelle la catastrophe dans
l’UV.
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Corps noir Cours SDM un\corps
noir\planck.htm
http://gilbert.gastebois.pagesperso-
orange.fr/java/planck/planck.htm
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Intensité du rayonnement du corps noir en fonction
de la longueur d’onde émise à T = 5000 K. En
pointillés : prédiction de la loi de Rayleigh-Jeans,
démontrant le problème de la catastrophe
ultraviolette.
On constate :
• la composition du rayonnement émis par un
corps est complètement indépendante de sa nature
elle ne dépend que de la température.
Conclusion : la théorie ondulatoire ne permet pas
d’expliquer ce phénomène
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Postulat de Max Planck
Max Planck (1858-1947):
1918 : Prix Nobel de Physique
Vers 1900 Max Planck propose un
modèle : les échanges d’énergies entre
matière et rayonnement ne peuvent se
faire que par quantité multiples d’une
quantité fondamentale appelée
QUANTUM D’ENERGIE, on dit que les
échanges sont quantifiés.
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L’énergie échangée est donnée par E = n E0 où E0 est
un quantum d’énergie et n est un nombre entier.
E0 = h
où
h = 6,62x10-34 J.s est la constante de Planck
est la fréquence (Hz)
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Albert Einstein (1879-1955):
1921 : Prix Nobel de Physique
La lumière est composée de photons, ce sont
des particules d’énergie. Tous les photons
ayant la même fréquence possède les
mêmes quantum d’énergie :
E = h = h c /
En 1905 Albert Einstein parle de quantum de
lumière (photon).
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L’énergie rayonnée possède une structure corpusculaire.
Unité d’énergie particulière :
L’électron-volt est une énergie : c’est une énergie que
possède un électron quand il est soumise à une différence de
potentiel de 1volt.
1eV = 1,6x10-19 J
1keV = 1.6x10-16 J
1MeV = 1,6x10-13 J
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longueur
d’onde
Type de rayonnement E = h Energie
1pm Rayon ( gamma ) 1,24MeV
10nm Rayon X 124eV
0,4µm Rayon UV 3,1 eV
Entre 0,4µm et
0,8µm
Visible
0,8µm IR 1,55 eV
1mm Micro-ondes 1,24 µeV
1m Ondes hertziennes 1,24 µeV
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Rappel : Formules importantes
c = / T =
c célérité , c’est donc une vitesse ( m/s )
longueur d’onde , c’est donc une longueur ( m )
T période , c’est donc un temps ( s )
1 / T = (fréquence)
fréquence , c’est donc l’inverse d’un temps ( Hz )
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Interprétation de l’expérience de Hertz :
Pour extraire un électron il faut apporter une certaine énergie
appelée travail d’extraction W transportée par un photon
d’énergie E = hνS.
Un photon arrivant à la surface du métal est susceptible
d’arracher un électron si son énergie est au moins égale au
travail d’extraction, il existe donc une fréquence seuil νS qui
permet l’apparition de l’effet photoélectrique
W= E = hνS
Ceci permet de déterminer la fréquence seuil à partir de
laquelle on peut extraire un électron pour un métal donné.
Exemples :
Césium Cs : s= 656nm (rouge)
Zinc Zn : s= 288 nm ( uv )
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Si l’énergie E du photon est plus grande que l’énergie seuil,
une partie est transformée en énergie cinétique. On peut donc
écrire :
E = W + ( ½ ) m v²
v est la vitesse communiquée à l’électron lors de son éjection
m la masse de l’électron.
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Conclusion : La lumière dans l’effet photoélectrique se
comporte comme une particule on dit qu’il y a dualité
onde corpuscule
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