COURS DE structure de la matière (Module Ph 13)jam.bouguechal.free.fr/upload/file/cours numéro 1 97-2003.pdf · COURS DE STRUCTURE DE LA MATIÈRE SDM (Module Ph 13) 04/10/2010 Cours

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


orange.fr/java/diffraction/diffraction.html

Les fentes de Young Cours SDM un\interf\interference.htm


orange.fr/java/interference/interference.htm

L’effet photoélectrique Cours SDM un\photoelectrique\photo.htm


orange.fr/java/photo/photo.htm

Cours SDM un\ondes et ondes stationnaires\ondes.htm






http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/son/ondes.htm



Cours SDM un\diffraction\diffraction.html





http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/diffraction/diffraction.html



Cours SDM un\interf\interference.htm





http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/interference/interference.htm



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.



17

Newton Isaac (1643-1727) :

Philosophe, mathématicien, physicien,

alchimiste et astronome anglais.



18

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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Electroscope



22



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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.



26



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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.



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Corps noir Cours SDM un\corps

noir\planck.htm


orange.fr/java/planck/planck.htm

Cours SDM un\corps noir\planck.htm








http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/planck/planck.htm





30



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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.



33

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)



34

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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