Ondes et particules Thème : Observer

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1 Les rayonnements dans l univers Les ondes dans la matière Ondes et particules Thème : Observer Pierre-Henry Suet Les Francs-Bourgeois Année scolaire

2 Les rayonnements dans l univers Les ondes dans la matière Outline 1 Les rayonnements dans l univers Les théories ondulatoires et corpusculaires Les types de rayonnement 2 Les ondes dans la matière Définitions Les ondes sismiques Les ondes sonores

3 Les rayonnements dans l univers Les ondes dans la matière Les théories ondulatoires et corpusculaires Comment décrire un rayonnement électromagnétique? Un rayonnement électromagnétique est défini par un transfert d énergie qui peut s expliquer par deux théories. Théorie ondulatoire C est une onde électromagnétique dont le champ magnétique et le champ électrique vibrent périodiquement dans le temps et définie par une fréquence de vibration et une longueur d onde telle que = c Théorie corpusculaire C est une particule, appelée photon, de masse nulle et d énergie E = h

4 Les rayonnements dans l univers Les ondes dans la matière Les théories ondulatoires et corpusculaires Quelle est la vitesse de propagation d un rayonnement? Un rayonnement électromagnétique se propage dans le vide à la vitesse c = 3, m.s 1

5 Les rayonnements dans l univers Les ondes dans la matière Les types de rayonnement Quelles sont les différents types de rayonnements? Figure: Spectre électromagnétique

6 Les rayonnements dans l univers Les ondes dans la matière Définitions Qu est-ce qu une onde? Définition Une onde est la propagation d une déformation sans transport de matière mais avec transport d énergie. Une onde mécanique a besoin d un milieu matériel pour se propager. Une onde électromagnétique peut se propager dans le vide. Lorsque la déformation est perpendiculaire au sens de propagation, l onde est transversale (ex : houle, onde sismique) Lorsque la déformation est parallèle au sens de propagation, l onde est longitudinale (ex : son)

7 Les rayonnements dans l univers Les ondes dans la matière Les ondes sismiques Qu est-ce qu une onde sismique? La magnitude des ondes sismiques est mesurée sur l échelle de Richter. Cette échelle permet d évaluer l énergie libérée par une secousse sismique. Elle caractérise les ondes de volume de type P (onde première de type longitudinal se propageant dans les solides, les liquides et même l atmosphère) et de type S (onde seconde de type transversal se propageant dans les liquides, due aux cisaillements).

8 Les rayonnements dans l univers Les ondes dans la matière Les ondes sonores Qu est-ce qu une onde sonore? L onde sonore est une onde acoustique qui résulte d une série de compressions-dilatations des couches d air. Le niveau sonore L (en db) d un son d intensité sonore I (en W.m 2 ) est défini par la relation : I L = 10 log où I 0 est l intensité sonore de référence I 0 = W.m 2 I 0

9 Les caractéristiques des ondes L effet Doppler Propriétés ondulatoires de la lumière Caractéristiques et propriétés des ondes Thème : Observer Pierre-Henry Suet Les Francs-Bourgeois Année scolaire

10 Les caractéristiques des ondes L effet Doppler Propriétés ondulatoires de la lumière Outline 1 Les caractéristiques des ondes L onde progressive Les ondes progressives périodiques 2 L effet Doppler 3 Propriétés ondulatoires de la lumière Diffraction Interférences

11 Les caractéristiques des ondes L effet Doppler Propriétés ondulatoires de la lumière L onde progressive Qu est-ce qu une onde progressive? Définitions On appelle onde progressive la propagation d une déformation dans un milieu selon une ou plusieurs dimensions de l espace. L onde stationnaire se propage dans un milieu fermé. Elle correspond à la superposition d une onde incidente et réfléchie. Vitesse de propagation d une onde ou célérité La célérité d une onde, notée c, est le quotient entre la distance parcourue et la durée de propagation de l onde sur cette distance. c = x t

12 Les caractéristiques des ondes L effet Doppler Propriétés ondulatoires de la lumière Les ondes progressives périodiques Qu est-ce qu une onde progressive périodique? Définition Il s agit d une onde progressive dont la déformation est périodique. Par exemple, une onde progressive sinusoïdale est de la forme (x, t) = 0 cos(!t kx) = 0 cos( 2 T t 2 x) Périodicité spatiale et périodicité temporelle On peut étudier l onde selon deux aspects : l espace caractérisé par la longueur d onde et le temps caractérisé par la période T. Ces grandeurs sont reliées tel que = ct

13 Les caractéristiques des ondes L effet Doppler Propriétés ondulatoires de la lumière Qu est-ce que l effet Doppler? Définition Il s agit du changement du fréquence perçue par un observateur du fait du rapprochement ou de l éloignement d une source émettrice.

14 Les caractéristiques des ondes L effet Doppler Propriétés ondulatoires de la lumière Qu est-ce que l effet Doppler? Formule des fréquences f réc = c c ± v f ém Applications de l effet Doppler En astrophysique : mesure des vitesses de déplacement des étoiles ou des galaxies. En médecine : mesure de la vitesse des globules rouges. En sécurité routière : contrôle des vitesses des véhicules.

15 Les caractéristiques des ondes L effet Doppler Propriétés ondulatoires de la lumière Diffraction Qu est-ce que la diffraction? Lorsqu un faisceau très fin de lumière monochromatique traverse une fente très fine ou heurte un fil très fin, on observe sur l écran une figure de diffraction. Plus large est la fente, plus la tache centrale est petite. L intensité de la figure de diffraction diminue lorsqu on rétrécit l ouverture.

16 Les caractéristiques des ondes L effet Doppler Propriétés ondulatoires de la lumière Diffraction Qu est-ce que la diffraction? On a ' tan = L/2 D et ' sin = a, on peut donc écrire a ' L/2 D

17 Les caractéristiques des ondes L effet Doppler Propriétés ondulatoires de la lumière Interférences Qu est-ce que les interférences? On place devant le faisceau laser deux fentes de même largeur a, situé à une distance D de l écran. i On observe sur l écran de taches de diffraction zébrées par des franges sombres et des franges brillantes. Ce sont les franges d interférences. La distance séparant le milieu de deux franges brillantes est toujours la même; elle se note i et est appelée interfrange. i = D a

18 Les caractéristiques des ondes L effet Doppler Propriétés ondulatoires de la lumière Interférences Qu est-ce que les interférences? Différence de marche : = S 2 M S 1 M Si les deux ondes arrivent en phase, les interférences sont constructives et la frange brillante est : = k Si les deux ondes arrivent en opposition de phase, les interférences sont destructives et le frange sombre est =(k )

19 Introduction Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR Spectroscopie RMN Analyse spectrale Thème : Observer Pierre-Henry Suet Les Francs-Bourgeois Année scolaire

20 Introduction Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR Spectroscopie RMN Outline 1 Introduction 2 Spectroscopie UV-visible Décomposition de la lumière blanche Spectre d absorption d une espèce en solution Absorbance 3 Spectroscopie IR Présentation des spectres IR Interprétation d un spectre 4 Spectroscopie RMN Principe Déplacement chimique Intégration Multiplicité du signal Exemple : Spectre RMN de l éthanol

21 Introduction Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR Spectroscopie RMN Qu est-ce que l analyse spectrale? L analyse spectrale permet de donner des informations sur la couleur des espèces chimiques ou la structure des molécules. Un spectre provient de l interaction entre rayonnement électromagnétique et matière. L intensité de l absorption et les longueurs d onde absorbées dépendent de la couleur chimique ou de la structure (chaîne carbonée, groupes caractéristiques). Le rayonnement électromagnétique peut être dans le domaine de l ultraviolet, du visible, de l infrarouge ou des radiofréquences.

22 Introduction Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR Spectroscopie RMN Décomposition de la lumière blanche Qu est-ce que la lumière blanche? La lumière blanche émise par le Soleil ou par une lampe à incandescence peut être analysée par un prisme ou par un réseau. Sur l écran, on observe un spectre continu et complet. Dans le domaine visible, ce spectre s étale du violet ( v = 400 nm) au rouge ( r =800 nm).

23 Introduction Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR Spectroscopie RMN Spectre d absorption d une espèce en solution Qu est-ce qu un spectre d absorption en solution? Lorsque la lumière blanche traverse une solution, certaines radiations (couleurs) sont absorbées. Ce sont les molécules contenues dans la solution qui absorbent de l énergie provenant de la lumière blanche. La couleur de la solution est la couleur complémentaire de la radiation préférentiellement absorbée.

24 Introduction Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR Spectroscopie RMN Spectre d absorption d une espèce en solution Qu est-ce qu un spectre d absorption en solution? Figure: Cercle chromatique des couleurs complémentaires

25 Introduction Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR Spectroscopie RMN Absorbance Qu est-ce qu un spectre d absorption en solution? Le spectrophotomètre mesure l absorbance A d une solution colorée en fonction de la longueur d onde. Soient I 0 est l intensité de la lumière blanche incidente et I est l intensité de la lumière transmise après avoir traversée la cuve contenant la solution, alors l absorbance s écrit : A = log I0 I

26 Introduction Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR Spectroscopie RMN Présentation des spectres IR Qu est-ce qu un spectre infrarouge? Un spectre infrarouge représente la courbe T = f ( ) avec T = I I 0, la transmittance exprimée en % et = 1, le nombre d onde exprimé en cm 1.

27 Introduction Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR Spectroscopie RMN Interprétation d un spectre Comment interpréter un spectre IR? A chaque pic d absorption (c est-à dire un nombre d onde) sur un spectre IR correspond une vibration caractéristique d une liaison dans une molécule. Figure: Bandes d absorption IR de quelques types de liaisons chimiques

28 Introduction Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR Spectroscopie RMN Principe Quel est le principe de la RMN? Un proton (noyau d hydrogène) peut s orienter de deux manières différentes dans un champ magnétique. Si ce proton reçoit une certaine quantité d énergie, il pourra changer d orientation. Cette énergie, appelée énergie résonance, se situe dans le domaine des radiofréquences. L énergie de résonance dépend de la position du proton dans la molécule, donc de son environnement. Tout changement d orientation entraîne un pic sur le spectre RMN.

29 Introduction Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR Spectroscopie RMN Déplacement chimique Qu est-ce le déplacement chimique? Sur un spectre RMN, les pics d absorption ne sont pas repérés par le déplacement chimique. = TMS A chaque type de liaison comportant un atome d hydrogène correspond un intervalle de déplacement chimique.

30 Introduction Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR Spectroscopie RMN Intégration Qu est-ce que l intégration? Des protons qui ont le même déplacement chimique protons dits équivalents. sont des

31 Introduction Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR Spectroscopie RMN Multiplicité du signal Qu est-ce que la multiplicité du signal? Le signal est parfois multiple. L existence de es multiplets provient des protons directement voisins et non du nombre de protons équivalents. Règle des n+1: Si m protons équivalents sont couplés avec n protons équivalents portés par un ou plusieurs atomes de carbone immédiatement voisins, alors leur signal est un multiplet comportant n + 1 pics.

32 Introduction Spectroscopie UV-visible Spectroscopie IR Spectroscopie RMN Exemple : Spectre RMN de l éthanol Comment analyser le spectre RMN de l éthanol?

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