PHS Spectroscopie Plan de cours Hiver 2015

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1 PHS Spectroscopie Plan de cours Hiver 2015 Description du cours Professeur : Site web du cours : Nombre de crédits : Heures par semaine : Disponibilité : Cours préalables : Sébastien Francoeur B (en classe) 1 (lab) 4 (travail personnel) (onglet contact us ) avec ou sans rendez- vous - Mécanique quantique I et II - Optique moderne Contenu : Interaction d une onde électromagnétique avec les atomes et la matière. Temps de vie des états excités. Diffusion Rayleigh et Raman. Mécanismes d élargissement. Instrumentation de spectroscopie : sources, détecteur, dispersion et interférométrie. Symétrie des molécules : application de la théorie des points, classification des états et détermination des transitions permises. Spectroscopie rotationnelle et ses applications: énergies de rotation et détermination de la composition et la configuration des molécules. Spectroscopie vibrationnelle et ses applications: modes de vibration et principes d identification d un composé à partir de son spectre. Spectroscopie électronique : termes spectroscopiques et spectres d atomes complexes. Spectroscopie des solides : transitions optiques, excitons de Wannier et de Frenkel, centre de couleur et luminescence des impuretés. Nanostructures quantiques et leurs avantages pour des applications technologiques. Objectifs du cours Après avoir réussi ce cours, l'étudiant sera en mesure de : - décrire l interaction d une onde électromagnétique avec les atomes, les molécules et la matière;

2 - appliquer les notions de mécanique quantique au calcul de l énergie des transitions rotationnelles, vibrationnelles ou électroniques; - utiliser les notions de symétrie afin de déterminer les transitions permises; - identifier les composantes d un gaz, d un liquide ou d un solide à partir d un spectre; - choisir la méthode de spectroscopie appropriée pour résoudre un problème scientifique donné. Objectifs des laboratoires Après avoir fait les séances de travaux pratiques, l étudiant sera en mesure de : - utiliser de façon sécuritaire des lasers de classe 3B et 4; - utiliser adéquatement l instrumentation de spectroscopie (sources optiques, spectromètres, détecteurs monocanals et multicanaux) - comprendre les concepts de résolution spectrale et d appliquer les procédures de calibration des instruments de spectroscopie; - reconnaitre les stratégies expérimentales permettant de mesurer des signaux de faibles intensités; - analyser la composition d échantillons et d identifier ses composantes; - observer et analyser des excitations de l état solide; - utiliser des notions statistiques d ajustement de courbe pour une analyse avancée des résultats expérimentaux. Qualités du BCAPG Lors de ce cours, les qualités développées sont: 1- Connaissances en génie, 2- Analyse de problèmes, 3- Investigation, 5- Utilisation d outils d ingénierie, 6- Travail individuel et en équipe, 7- Communication. Seule la qualité 1 est formellement évaluée. Méthodes d évaluation NATURE NOMBRE PONDÉRATION Test sur la sécurité laser 1 (voir les modalités) Laboratoires 5 25% Contrôle périodique 1 25% Présentation 1 10% Examen final 1 40% Test sur la sécurité laser

3 Pour être autorisé à effectuer les laboratoires d émission et de spectroscopie Raman, il faudra d abord faire le test sur la sécurité laser. Le tableau suivant indique l effet du résultat à ce test. RÉSULTAT PONDÉRATION 49% et moins Vous ne serez pas autorisés à manipuler les lasers et un multiplicatif de 0.8 sera appliqué aux résultats de ces deux laboratoires. de 50 % à 69 % Vous êtes autorisés à manipuler les lasers, mais un multiplicatif de 0.9 sera appliqué aux résultats de ces deux laboratoires. 70% et plus Vous êtes autorisés à manipuler les lasers. Aucune pénalité n est appliquée. Documents de référence - Modern spectroscopy, 4th Edition, J. M. Hollas, Modern Spectroscopy, Wiley (2004). - Molecular quantum mechanics, P. Atkins et R. Friedman, Oxford (2005). - Spectrea of atoms and molecules, 2nd Edition, P. F. Bernart, Oxford University Press. (2005) - Spectroscopie atomique, E. Biémont, deboeck (2006). - Spectroscopie moléculaire, E. Biémont, deboeck (2008). - Optical properties of solids, M. Fox (2008). Structure du cours

4 SUJETS HEURES Introduction à la spectroscopie, son rôle dans le développement des sciences et à ses 2 nombreuses applications technologiques. Interaction d une onde électromagnétique avec les atomes, les molécules et les solides. 6 - Absorption et émission. Calcul du temps de vie d une excitation. - Diffusion de Rayleigh et diffusion Raman. - Mécanismes d élargissement des raies : élargissement intrinsèque, collisionnel, Doppler, cristallin, isotopique, Instrumentation de spectroscopie 6 - Sources de lumière : lampe tungstène, halogène et à arc, LED, laser. - Stratégie de dispersion des ondes électromagnétiques : primes, réseaux. Interférométrie : Fabry- Pérot et Michelson. - Détecteurs : plaque photographique, PMT, photodiode, CCD. - Introduction aux sources de bruit. La symétrie moléculaire 8 - Éléments de symétrie des molécules. Détermination du groupe de symétrie. - Notions de théorie des points et tables des caractères. - Application de la table des caractères à la classification des états énergétiques, à la description des modes de vibration des molécules et à la détermination des transitions optiques permises. Contrôle 2 Spectroscopie rotationnelle 6 - Molécules linéaires, rotateurs symétriques et asymétriques. - Calcul des moments d inertie. Énergie de rotation. Effet centrifuge et déformation des molécules. - Détermination de la composition et de la symétrie des molécules, détermination de la longueur des liaisons atomique, détermination des angles entre ces liaisons, détermination de la constante de rappel des liaisons atomiques. Spectroscopie vibrationnelle 6 - Molécules diatomiques homo- et hétéro- nucléaires. - Énergies de vibration : potentiel harmonique et anharmonique. - Molécules polyatomiques - Application des notions de symétrie à la détermination des modes de vibration de molécules simple et à la détermination des transitions permises. - Vibrations de groupes et vibrations du squelette. - Principes d identification de mélange de composés moléculaires complexes. Spectroscopie électronique 4 - Rappel sur le couplage du moment angulaire. Termes spectroscopiques. - Spectre de l atome d hélium : phénomène d écrantage et interaction d échange. - Analyse et discussion de l émission des atomes alcalins et d atomes plus complexes. Spectroscopie des solides 8 - Transitions optiques permises par la structure de bandes des semi- conducteurs : profil d absorption des semi- conducteurs à gaps directs et indirects. - Excitons de Wannier et de Frenkel : laser polaronique et mécanisme de photosynthèse. - Luminescence extrinsèque : centre de couleur dans les isolants et identification des défauts dans les dispositifs semi- conducteurs. - Nanostructures quantiques (puits et fils quantiques, nanotube de carbone, boites quantiques). Présentation des étudiants sur une méthode de spectroscopie ou une de ses applications 4 TOTAL : 52

5 Laboratoires SUJETS HEURES Lab 1 : Spectroscopie d absorption Calibration de la réponse en intensité du spectromètre, des lentilles, des miroirs et des détecteurs - Détermination de la bande interdite du Si et du GaAs Lab 2 : Spectroscopie Raman 1 - Quantification de la quantité d éthanol dans les breuvages commerciaux - Mesure de spectre Raman de la molécule CS2 Lab 3 : Spectroscopie d émission 2 - Photoluminescence d un puits quantique - Photoluminescence de boites quantiques colloïdales Lab 4: Atome d hélium 2 - Calibration de la réponse spectrale d un spectromètre. - Détermination expérimentale de la séparation singulet- triplet de l atome d hélium. Lab 5: Spectroscopie par transformée de Fourier Mesure de la structure fine du spectre rotationnel de la molécule de HCl. - Analyse des spectres et determination du moment d inertie, de la séparation interatomique, et de la constante de rappel du mode vibrationel. TOTAL : 8 Fraude et plagiat (extrait de : Par fraude, on entend toute forme de plagiat, tricherie et tout autre moyen utilisé par l'étudiant pour obtenir une évaluation non méritée ou pour in:luencer une décision relative à son dossier, de même que toute tentative pouvant mener à commettre ces actes, ainsi que toute participation à ceux- ci. Grille des sanctions pouvant être imposées en application du règlement sur la fraude et le plagiat (ce tableau n'est qu'un guide, chaque cas étant particulier):

6 FAUTE SANCTION parler dans un examen attribution de la cote 0 à l'évaluation présenter un travail qui provient en partie d'une autre personne ou d'une autre équipe ou d'internet concernée utiliser de la documentation ou un appareil non attribution de la note F au cours concerné permis dans un examen autre situation où la «préméditation» de fraude est explicite présenter un travail fait par quelqu'un d'autre récidive à une faute dont la sanction est de type a) attribution de la note F à tous les cours suivis récidive à une sanction de type b) faute dont la sanction est de type a) après une faute dont la sanction est de type b) au trimestre attribution de la note F à tous les cours suivis au trimestre et suspension d'un trimestre d'automne ou d'hiver 3e faute quelconque, ou faute très grave, par exemple: présentation de faux documents (billet médical, relevés de notes, description de programme ou de cours pour fin d'équivalences, etc.) substitution de personne lors d un examen expulsion définitive de l'école Polytechnique Notes: - Lors de la rédaction d un travail, chaque fois que vous faites un copié- collé, pensez- y- bien! - Pour les devoirs, les développements doivent être les vôtres.

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