COURS DE STRUCTURE DE LA MATIÈRE (Module Ph 13)

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1 COURS DE STRUCTURE DE LA MATIÈRE (Module Ph 13) 1

2 COURS DE STRUCTURE DE LA MATIÈRE (Module Ph 13) SDM 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 2

3 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 3

4 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 4

5 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. 5

6 4) Les atomes polyélectroniques a) L atome polyélectronique b) Règles de remplissage des couches et souscouches c) Règles de Slater 6

7 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 7

8 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 8

9 b) Géométrie des molécules ( méthode VSEPR ) i. Introduction ii. Résultats expérimentaux iii. Principes de la méthode VSEPR iv. Les différents arrangements des doublets 9

10 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 10

11 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. 11

12 Ondes mécaniques Diffraction Les fentes de Young L effet photoélectrique ondes et ondes stationnaires\longitudinales\son.htm Cours SDM un\diffraction\diffraction.html Cours SDM un\interf\interference.htm Cours SDM un\photoelectrique\photo.htm 12

13 La diffraction La diffraction est un phénomène optique que l on observe lorsque la lumière traverse une petite fente ou un angle. 13

14 Les fentes de Young 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 ). 14

15 Young Thomas ( ): 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 ( ) Mathématicien, astronome etun physicien néerlandais 15

16 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. 16

17 Newton Isaac ( ) : Philosophe, mathématicien, physicien, alchimiste et astronome anglais. 17

18 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 Heinrich Rudolf Hertz ( ): Ingénieur et physicien allemand 18

19 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. 19

20 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. 20

21 Electroscope 21

22 22

23 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 23

24 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. 24

25 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 λ max *T = 2, S.I - D'après la Loi de Stephan-Boltzmann, la densité de flux d'énergie ou densité de puissance ou émittance énergétique M o (T) (en W m -2 ) émis par le corps noir varie en fonction de la température absolue T (exprimée en Kelvin) selon la formule: M o (T) = σ T 4 où σ est la constante de Stephan-Boltzmann qui vaut environ 5, Wm -2 K

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28 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. 28

29 Corps noir Cours SDM un\corps noir\planck.htm 29

30 30

31 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 31

32 Postulat de Max Planck Max Planck ( ): 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. 32

33 L énergie échangée est donnée par E = n E 0 où E 0 est un quantum d énergie et n est un nombre entier. où E 0 = h h = 6,62x10-34 J.s est la constante de Planck est la fréquence (Hz) 33

34 En 1905 Albert Einstein parle de quantum de lumière (photon). Albert Einstein ( ): 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 / 34

35 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 35

36 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 Visible 0,8µm 0,8µm IR 1,55 ev 1mm Micro-ondes 1,24 µev 1m Ondes hertziennes 1,24 µev 36

37 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 ) 37

38 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 = hν S. 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 ν S qui permet l apparition de l effet photoélectrique W= E = hν S 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 ) 38

39 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. 39

40 Conclusion : La lumière dans l effet photoélectrique se comporte comme une particule on dit qu il y a dualité onde corpuscule 40

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