L'atome et la mécanique de Newton : Ouverture au monde quantique

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1 L'atome et la mécanique de Newton : Ouvetue au monde quantique Lod Kelvin affime en 1892 que "tous les concepts de la physique sont déteminés, et qu'il n'y a plus qu'à touve quelques décimales supplémentaies aux constantes de la physique". Il y a juste un petit poblème qui n'est pas encoe ésolu : la stuctue de l'atome! Et ce petit poblème va évolutionne la physique. Nous allons découvi comment la echeche de la stuctue de l'atome a pu pemette une ouvetue au monde quantique en deux étapes : Les lois de la physique à la fin du 19ème siècle et au début du 20ème. Les echeches su la stuctue de l'atome. Les lois de la physique à la fin du 19ème siècle et au début du 20ème Issac Newton Loi de la gavitation F S / T = ms mt G u ST F 2 S/T = F T/S = Deux cops ponctuels de masse m S et m T s'attient avec une foce popotionnelle à chacune des masses, et invesement popotionnelle au caé de la distance qui les sépae. ms G m 2 T Lois de Newton Pemièe loi de Newton : Pincipe d'inetie. Si Deuxième loi de Newton : F ext = m a G Toisième loi de Newton : pincipe des actions écipoques. A et B étant deux cops en inteaction. F A / B = - F Fext = 0 alos = const et écipoquement B / A vg Chales Augustin Coulomb Lois de l'électostatique L'inteaction électostatique est une foce qui agit su les objets ayant une chage électique. Deux objets de chages électiques de même signes se epoussent. Deux objets de chages électiques de signes opposés s'attient.

2 1860 James Clek Maxwell Lois de l'électomagnétisme Toutes paticules chagées électiquement cée un champ électique Toutes paticules chagées électiquement en mouvement cée un champ magnétique Toutes paticules chagées électiquement accéléées ayonne de l'énegie 1900 Max Planck Enegie quantifiée Max Planck énonce à pati d'expéiences su le cops noi que l'énegie associée à une adiation lumineuse de féquence n est quantifiée et a pou expession E = n hν h est une constante univeselle. Elle est appelée constante de Planck. h = 6, J.s ν est la féquence (Hz) Il effectue des calculs statistiques qui viennent confime ces ésultats. Planck n'intepéta pas plus loin cette découvete 1905 Albet Einstein Photon Einstein intoduit la notion de photon Les photons sont des «paquets» d'énegie élémentaies appelés "quanta" Chaque photon tanspote une énegie E = hν = hc / λ c est la céléité de la lumièe dans le vide. c = 3, m/s

3 1903 Joseph Thomson Modèle de Thomson : L'atome est une boule chagée positivement dans laquelle ciculent des électons. Expéience éalisée pou confime ce modèle : Des paticules alpha (noyau d'hélium) sont envoyées su une feuille d'o. Thomson s'attend à ce que toutes les paticules a tavesent la feuille d'o ca les inteactions électiques ente les électons sont de faible intensité et elles ne dévieont pas les paticules α. Résultat de l'expéience : On obseve une fois su 8000 le etou de cetaines paticules α. Le modèle de Thomson est-il validé? Popose une hypothèse pemettant d'explique la déviation et le etou de quelques paticules α. Réponse et conclusion : Le modèle de Thomson n'est pas validée. On peut émette l'hypothèse qu'il y a à l'intéieu de l'atome un noyau positif dont les inteactions sont suffisamment impotantes pou dévie les paticules α.

4 1911 Enest Ruthefod Modèle de Ruthefod : On peut epésente l'atome selon un modèle planétaie. Les électons gavitent autou d'un noyau positif en décivant une obite ciculaie. 1. Dans ce modèle planétaie, les électons subissent-ils une accéléation? Donne les caactéistiques de cette accéléation en vous aidant de vos connaissances su le mouvement des satellites. 2. En vous appuyant su la loi de l'électomagnétisme énoncée pa Maxwell : Toutes paticules chagées électiquement accéléées ayonne de l'énegie Indique si les électons peuvent este su leus "obites"? Que va t-il se passe? Réponse et conclusion : 1. Oui, les électons subissent une accéléation centipète, adiale. 2. Si les électons subissent une accéléation centipète, ils ayonnent de l'énegie. Cette énegie pedue entaîne une diminution de la vitesse des électons et leu effondement su le noyau cental. Conclusion : Le modèle planétaie n'est pas stable.

5 1913 Niels Boh Modèle de Boh : En s'appuyant su la théoie des quanta énoncé pa Planck, Boh postule qu'il n'existe qu'un nombe déteminé d'obites électoniques et que les électons n'émettent pas de ayonnement su ces obites. Hypothèses de Boh : 1. L'énegie de l'électon est fixée et quantifiée. 2. Les adiations ne sont émises ou absobées que si un électon passe d'une obite à l'aute. (tansition électonique) Ces ayonnements ne sont donc pas liés à la féquence de otation de l'électon autou du noyau comme on le coyait avant. Réaction du Pix Nobel von Laue su ces hypothèses : c'est absude! Les vaiations d'énegie de l'atome sont quantifiées. Pa la suite on a découvet que la quantification pouvait s'applique non seulement à l'atome (de l'ode de l'ev pou le cotège électonique), mais aussi au noyau (de l'ode du MeV) et au molécules. Un atome de mecue passe d'un niveau énegétique E 1 = -4,99 ev à un niveau E 2 = -10,45 ev. 1 ev = 1 electon volt 1 ev = 1, Joules 1. L'atome ped-il ou gagne t-il de l'énegie? 2. Cette tansition énegétique s'accompagnea-t-elle d'une émission ou d'une absoption d'une adiation lumineuse? 3. Quelle est la valeu de la longueu d'onde de cette adiation lumineuse? 4. Est-elle visible? Réponse : 1. L'énegie de l'atome passe de -4,99 ev à -10,45 ev. Il ped donc de l'énegie. 2. Cette tansition énegétique s'accompagne d'une émission d'une adiation lumineuse. 3. La longueu d'onde est donnée pa la elation E = hν = hc / λ λ = hc / E = 6, , / (10,45-4,99) 1, = 2, m = 230 nm 4. Cette adiation n'est pas visible (domaine visible :400 nm nm). Il s'agit d'un ayonnement ultaviolet.

6 1913 James Fanck ; Gustav Hetz Les expéiences de Fanck et Hetz Expéience n 1 (1887) : Effet photoélectique Hetz tente d'aache des électons d'une plaque de zinc sous l'action d'une lumièe incidente de féquence ν. Résultat : Cet aachement n'a lieu que si la féquence n est supéieue à une féquence seuil, même pou une intensité tès faible du faisceau lumineux. Si on envoie une lumièe de tès fote intensité, le nombe d'électons sea-t-il plus impotant, identique ou moins impotant? Résultat : Le nombe d'électons aachés ne dépend que de la féquence.

7 Les expéiences de Fanck et Hetz (suite) Expéience n 2 (1914) : Fanck et Hetz envoient des électons su une cuve emplie de vapeus de mecue. Résultat : Ils obtiennent une coube epésentant l'excitation électonique en fonction de l'énegie cinétique des électons incidents : L'excitation électonique des atomes s'effectue-t-elle de manièe continue ou discontinue? Réponse : L'excitation électonique s'effectue de manièe discontinue. L'expéience éalisée pa Fanck et Hetz confime la nécessité d'une appoche quantique.il s'agit de la pemièe expéience pemettant de détemine la difféence de valeu ente deux niveaux d'énegie atomique. On envoie un ayonnement ultaviolet de longueu d'onde égale à 254 nm su une cuve emplie de vapeu de mecue. On obseve un phénomène d'excitation électonique pa tansition électonique ente l'état énegétique le plus bas appelé état fondamental, notée E 0 et un état énegétique plus élevé appelé état excité, noté E n Ente quels niveaux d'énegie, la tansition va t-telle avoi lieu? Données : 1 ev = 1, J h = 6, J.s c = 3, m/s Réponse : E = hc / λ = (6, , ) / = 7, J E = 7, / 1, = 4,90 ev Soit un niveau énegétique excité égal à 10,44-4,90 = 5,54 ev La tansition va avoi lieu ente le niveau E 0 et le niveau E 1.