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hn Guy Collin, 2014-12-29 LES RAYONS X Physique atomique Chapitre 11
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LES RAYONS X

Feb 24, 2016

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LES RAYONS X. Physique atomique Chapitre 11. Les rayons X. Les rayons X. Toutes les propriétés du nuage électronique étudiées jusqu’ici concernaient exclusivement les électrons périphériques de l’atome. - PowerPoint PPT Presentation
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Sujet d'ordre gnral

LES RAYONS XPhysique atomiqueChapitre 11hnGuy Collin, 2014-12-29hn2014-12-29Les rayons XToutes les proprits du nuage lectronique tudies jusquici concernaient exclusivement les lectrons priphriques de latome.Est-il possible de voir ou dtudier les lectrons des couches internes du nuage lectronique?Si oui, par quel moyen?Quelles sont les proprits associes ces lectrons des couches internes ?Les rayons Xhn2014-12-29Dcouvert en 1893 par ROENTGEN.Le rayonnement X

La clbre main de Mme ROENTGEN :hn2014-12-29Les rayons XDcouverts en 1895 par ROENTGEN, ces rayons ne sont dvis ni par un champ lectrique ni par un champ magntique.La longueur donde est comprise entre 0,05 et 1 nm.Rayonnement lectromagntique (pas de masse) similaire la lumire visible.Diffraction possible : d ( sin i' - sin i ) = k lLa diffraction des rayons X par des plans rticulaires du cristal suit la formule de BRAGG :

hn2014-12-29Gnration des rayons XEau froide MtalTube de CROOKES. Enceinte videRayons X20 kV+-hn2014-12-29Le tube de CROOKES en 1923

hn2014-12-29Gnration des rayons XTube de COOLIDGE. 50 kVAilettes de refroidissementRayons Xhn2014-12-29Spectre continu de rayons XIntensitl (nm)0,040,0850 kV40 kV30 kV20 kVLa position de la limite nlim est lie la tension acclratrice des e-.Cette limite est appele la limite de DUANE-HUNT.nlimhn2014-12-29Le spectre continu des rayons XLe spectre continu est indpendant de llment composant lanticathode.Le spectre continu du tungstne par exemple dpend de la tension dacclration des lectrons, donc de lnergie des lectrons incidents.Chaque spectre prsente une limite brutale du ct des basses longueurs donde, donc des grandes frquences.

hn2014-12-29Variation de la frquence limite avec la tension acclratrice La frquence limite, nlim est fonction de la tension acclratrice des e- : h nlim = e VFrquence limitekV2040nlim0510hn2014-12-29Spectre continu et spectre discontinu de rayons XAu-dessus du spectre continu apparat des pics ou raies qui constituent le spectre discontinu.La position de ces raies est caractristique du mtal.Intensitl (nm)0,040,08nlimWKaKbMoTension acclratrice identiquehn2014-12-29Interprtation du spectre dmission Les spectres de raies X sont beaucoup plus simples que les spectres optiques.Des groupes de raies sont observs, groupes tant nettement spars les uns des autres.Ils ont reu les noms de groupes K, L, M, etc.Ces groupes apparaissent successivement dans lordre inverse du prcdent lorsque la tension acclratrice des lectrons crot progressivement.Le groupe K a la frquence la plus grande, donc lnergie la plus grande.hn2014-12-29Gnration de rayonnement X (chelle atomique)noyauLlectronKMNPhoton X LaPhoton X Mahn2014-12-29Rayons X : productionlectron acclrn = 1n = 2n = 3n = 4Photon X Lahn2014-12-29Les observations de MOOSELEYLa frquence des raies homologues pour chacun des lments peut se reprsenter par une formule du type n = a ( Z - s )2 a et s sont des constantes et Z le numro atomique.Pour les lments allant de Z = 20 30, on trouve pour les raies K la relation : n = 0,764 RH c ( Z - 1,13)2 RH est la constante de RYDBERG et c la vitesse de la lumire. hn2014-12-29Reprsentation graphique de la loi de MOOSELEYKaLaMaNumro atomique Z02040602010n1/2hn2014-12-29Linterprtation laide de la thorie de BOHROn peut interprter grossirement cette formule laide de la thorie de BOHR.Si on admet quun llectron incident chasse un lectron de latome plac sur la couche n = 1 (couche K), un lectron plac sur la couche n = 2 vient le remplacer.Lnergie libre par le deuxime lectron est donne par la relation de RYDBERG :

hn2014-12-29Leffet cran, sLa relation de la thorie de BOHR n2,1 = 0,75 c RH Z 2 se compare bien n = 0,764 RH c ( Z - 1,13)2 hormis pour la correction apporte Z.Z+Photon XTout se passe comme si dans ces processus la charge du noyau tait rduite dune unit, celle de la charge du second lectron de la couche 1s.Cest ce que lon appelle leffet cran.hn2014-12-29Leffet cranLe mme phnomne a lieu avec la raie La . La valeur de s dans ce cas est de 7,4. On doit comparer cette valeur avec la somme 2 + 8 -1 = 9 :2 lectrons de la couche n = 1;8 lectrons de la couche n = 2;moins llectron qui a t ject de la sous couche 2s.Z+Photon Xhn2014-12-29Transitions simplifies des raies XKLMNKaKbKgLimite KLaLbLimite LMaLimite Mhn2014-12-29En rsumLapplication de la formule de BOHR, en tenant compte de leffet dcran, interprte les rsultats exprimentaux.On obtient une srie de raies rsultant des transitions n = 2 n = 1; n = 3 n = 1, . . . La transition n = n = 1 fixe la limite de la srie K.Le mme raisonnement peut tre fait pour le niveau final n = 2 (srie L), etc.hn2014-12-29On mesure au moyen dun lectroscope la quantit dlectricit produite par les ions crs dans la chambre par le passage du photon X.Les rayons X suivent la loi habituelle de LAMBERT-BEER :Absorption des rayons X

I0 et I sont les nergies incidente et transmise; est le coefficient dabsorption; etd est lpaisseur du matriel travers.La courbe reprsentant m en fonction de la frquence l prsente une srie de discontinuits : chaque fois quun nouveau processus dabsorption sajoute ou devient impossible, m effectue un saut.hn2014-12-29Coefficient dabsorption et longueur donde des rayons XLe coefficient dabsorption des rayons X crot avec sa longueur donde (augmente avec la diminution de lnergie).On observe sur la courbe = (l) des discontinuits qui correspondent des processus particuliers djection dlectrons des nuages atomiques. Coefficient dabsorptionlm0KLILIILIIIhn2014-12-29Interprtations des dtails dans la structure des spectresLes transitions sont elles aussi gouvernes par des rgles de slection.La variation de n est quelconque : un lectron passe dune couche n une couche m sans distinction.Tout comme dans les spectres dabsorption ou dmission atomique, le nombre quantique orbital ne peut varier que dune unit : D = 1Tout comme dans le cas des effets magntiques, le nombre quantique total j ne peut varier que par Dj = 0, 1hn2014-12-29Comment tablir la valeur de j ?Il faut considrer la couche darrive dun lectron plus externe.Toutes les couches sous-jacentes, plus profondes, sont satures : leur contribution au moment magntique est nulle.La couche qui contient une vacance a ncessairement un lectron non appari : son spin s = 1/2La valeur de j est telle que j = 1/2Le tableau suivant rsume ces calculs.hn2014-12-29Valeurs des nombres quantiques

hn2014-12-29Dtails des transitions XSrie Kn j K 1s1 0 1/2M 3pM 3sM 3d 2 5/2 2 3/23 1 3/2 1 1/2 0 1/2L 2pL 2s 1 3/22 1 1/2 0 1/2N 4pN 4sN 4dN 4f4 etc.Les raies K sont doublesLes raies L sont 7 en 3 groupesKaKbSrie LSrie Mhn2014-12-29Production dlectron AUGERCertains rayons X ne sortent pas du nuage atomique o ils sont produits.Ils entrent en collision avec des lectrons plus priphriques (donc moins nergtiques) et les expulsent de leur orbitale.Ces lectrons sont les lectrons AUGER.hn2014-12-29Production dlectron AUGERnoyauLlectronKMNPhoton X Kblectron AUGERhn2014-12-29lectron AUGER : productionlectron acclrlectron AUGERRaie Kahn2014-12-29Le rayonnement X, au lieu de sortir du nuage lectronique percute un lectron de ce nuage (effet COMPTON).Rayonnement X et e- AUGER1s2s LI2p LII2p LIII3s MI3p MII3p MIIIRayonnement Xe- AUGER0 eV60,3 eV455eV461 eV564 eV4970 eV3,7 eV35 eVhn2014-12-29Les lectrons AUGER constituent une mthode puissante danalyse des surfaces.Analyse de surfaces

Faisceau dlectronsVolume analysSurface mtallique pntration des e-

1 mhn2014-12-29ConclusionLes rayons X sont produits par des lectrons trs rapides capables de crer des vides dans les couches profondes des nuages lectroniques.Ces cavits sont rapidement combles par des lectrons plus externes. En effectuant le saut lectronique ces lectrons perdent une partie de leur nergie sous la forme dmission de lumire (photon X).Dous dun pouvoir de pntration trs grand, les rayons X sont capables dinterfrer avec nimporte quel lectron du nuage lectronique de latome.hn2014-12-29ConclusionLanalyse des spectres dmission ainsi gnrs permet de retrouver les familles de raies dj observes lors de ltude de latome de BOHR, ainsi que les rgles de slection qui gouvernent les transitions.Avant de sortir du nuage lectronique certains photons X peuvent dloger dautres lectrons et les jecter hors du nuage lectronique, crant ainsi les lectrons AUGER.Ceux-ci sont trs utiles pour ltude des surfaces mtalliques.hn2014-12-292 d sin = n

hlim = e V

2,1 = c RH Z2 EQ \B\BC\[( \B(\F(1;12)) - \B(\F(1;22)) ) = 0,75 c RH Z2

I = I0 ed

Couchen(sj

K101/21/2

L20

1

11/2

1/2

+ 1/21/2

1/2

3/2

M30

1

1

2

21/2

1/2

+ 1/2

1/2

+ 1/21/2

1/2

3/2

3/2

5/2