Expression de Z tirée de la relation d`équilibre

7 :Grandeurs fondamentales
La loi du 4 juillet 1837 rend obligatoire le "système métrique" en France.
en 1960, la 11eme CGPM abrogeait la définition du mètre de 1889 et fixait sa nouvelle def à partir de la
longueur d’onde d’une radiation de l’atome de krypton 86. Elle baptisa le nouveau système : Système
International d’unité S.I.
Le décret n° 61-501 du 3 mai 1961 modifié (pris en application de Directives européennes) définit comme
unités légales les unités du système international, et définit chacune de ces unités, réparties dans neufs
grandes catégories :
Multiples
Facteur par lequel
est multipliée l'unité
Préfixe à mettre
avant le nom de l'unité
Symbole à mettre
avant celui de l'unité
1024
yotta
Y
1021
zetta
Z
1018
exa
E
1015
peta
P
1012
téra
T
109
giga
G
106
méga
M
103
kilo
k
102
hecto
h
101
déca
da
Sous-multiples
Facteur par lequel
est multipliée l'unité
Préfixe à mettre
avant le nom de l'unité
Symbole à mettre
avant celui de l'unité
10-1
déci
d
10-2
centi
c
10-3
milli
m
10-6
micro
µ
10-9
nano
n
10-12
pico
p
10-15
femto
f
10-18
atto
a
10-21
zepto
z
10-24
yocto
y
1968 def. de la seconde à partir d’une radiation de l’atome de césium.
1983 def du mètre :trajet parcouru par la lumière pendant une durée déterminée.
1 uma = 1 / 12 de la masse de 1 atome de carbone 12 soit 1/N gramme
8 :grandeurs physiques dérivées
1975 def du Bq et du Gy
Dose équivalente : dose absorbée mais tient compte du pouvoir ionisant du rayonnement
électromagnétique ou corpusculaire
Rem : acronyme ( roentgen equivalent man)
9 :Relation masse-énergie
Dans la mécanique newtonnienne, la notion de masse a deux sens : sa détection par son poids (masse
gravifique) et sa détection par sa résistance au mouvement (masse inerte).
La relativité d'Einstein introduit donc la notion de masse au repos et induit une augmentation de la masse
avec la vitesse. Quant à l'énergie totale d'un corps en mouvement, elle devient :E=mc2
En vertu du principe de la relativité, elle n’est pas une constante mais varie avec la vitesse à laquelle se
déplace le corps.
Calcul de 1 uma : 931.48MeV : (3.108)2/6.02252.1023)*10-3/1.602.10-19
Calcul masse électron au repos 511 keV : 9.1091 10-31*(3.108)2/1.602.10-19
me : 9.1095 .10-31 kg: 5.4858.10-4 uma: 0.511 MeV/c2
mp : 1.6726 .10-27 kg : 1.0073
mn : 1.6749 .10-27 kg :1.0087
10 :Historique : particules fondamentales
Démocrite avance le concept d’atomes : « Le doux et l’amer, le chaud et le froid, les couleurs ne sont que
des apparences. En réalité, il n’y a que des atomes et le vide. Tout ce qui existe procède de chocs et de
combinaisons qui ont lieu entre d’infimes corpuscules insécables, tous fait de la même manière et doués
de mouvement, les atomes.. Ces atomes sont invisibles »
Faraday établit en 1833 les lois de l’électrolyse qui voulaient que dans une solution d’eau, chaque atome
ou fragment moléculaire ait une charge électrique fixe.
Thomson en 1897 explique la nature du courant électrique dans les gaz raréfiés. Il isole une particule
légère dont il a mesuré les propriétés et qu’il a baptisé l’électron. Il découvrira aussi les particules alpha
(noyaux d’hélium).
Rutherford établit que chaque atome possède un noyau compact, avec des électrons négatifs naviguant
autour de lui.
Bohr établit le premier modèle d’atome et explique la stabilité de l’atome et prédit l’énergie des raies
spectrales de l’atome (lois mécanique quantique)
11 :historique : rayonnement
En 1895, suite à la mise en évidence des rayons X par l'Allemand Roentgen, il décide de s'attaquer au
problème des radiations. Becquerel choisit de déposer des lames de sels d'uranium sur une plaque
photographique et expose le tout au soleil, pensant que la lumière permet la radiation par excitation de la
matière. Les premiers développements de plaques lui montrent la présence de légères impressions. Il croit
alors avoir trouvé le phénomène recherché. Mais le 26 février 1896, le beau temps n'est pas au rendezvous et le dispositif reste enfermé dans un placard. Le 1er mars, avant de reprendre ses expériences,
Becquerel vérifie l'état de son matériel et se rend compte que les plaques sont très fortement
impressionnées. En l'absence de lumière, la seule explication possible est celui d'un rayonnement interne
à l'uranium : la radioactivité est née. En 1903, il partage le prix Nobel de Physique avec Pierre et Marie
Curie
En octobre 1895, Roentgen commence à s’intéresser aux effets produits par le passage d’un courant
électrique dans des gaz rares. Utilisant les connaissances de ses aînés et y ajoutant un soupçon d’intuition
ou de génie, Roentgen entoure de carton noir le tubes à rayons cathodiques sur lequel il effectue ses
recherches. Il observe alors distinctement l’apparition d’une fluorescence sur la plaque de platinocyanure
du baryum placée en face du tube. Ces nouveaux rayons que Roentgen nomme "X", traversent la matière
quand celle-ci, placée entre l’ampoule et l’écran, n’a pas trop de consistance. C’est la radiologie que
Roentgen vient d’inventer ; sa première radiographie, celle de la main de sa femme, fera le tour du monde
et reste la plus célèbre à ce jour.
L’effet de la radioactivité est que l’atome peut être cassé. Les curies découvrent en 1898 deux éléments
radioactifs : le polonium et le radium issus d’un oxyde d’uranium (la pechblende).
Poursuivant l'étude du rayonnement émis par le polonium, Irene et frederic Joliot irradient des feuilles de
métal (aluminium, bore ou magnésium) et réussissent à obtenir des isotopes radioactifs d'éléments
normalement non radioactifs. Cette découverte de la radioactivité artificielle leur vaudra un prix Nobel de
chimie en 1935.
En mars 1905, Einstein décrit comment l’énergie d’un corps chauffé peut se transformer en énergie
lumineuse. Cette transformation n’est possible qu’en considérant la lumière constituée de "grains"
qu’Einstein appelle "quanta de lumière" (les photons). Einstein ne sait toujours pas dans quelles
circonstances la lumière se révèle continue ou discontinue. La seule donnée qui permet de décrire la
lumière est sa vitesse c, constante dans le vide par rapport à n'importe quel système galiléen et est
indépendante du mouvement de la source. Tous les référentiels galiléens sont équivalents pour la
formulation des lois physiques. Il énonce alors sa théorie de la relativité qui unifie les théories de la
matière et de la lumière. La matière comme la lumière subissent le principe de relativité et la simultanéité
de deux événements devient dépendante de l’observateur. Longueur et temps sont liés.
12 :particules élémentaires
les particules qui s'excluent mutuellement: elles ne peuvent pas être au même endroit en ayant exactement
les mêmes propriétés. cette interdiction s'appelle le principe d'exclusion de Pauli. Ce sont les
FERMIONS
les particules qui sont capables de se rassembler à plusieurs dans le même état physique: Ce sont les
BOSONS. Un ensemble de photon dans le même état constitue ce qu'on appelle un rayon laser.
Quant aux bosons, nous verrons qu'ils s'agit de particules-médiateurs des forces fondamentales de la
nature.
Enoncée pour la première fois en 1964 par Murray Gell-Mann, la théorie des quarks acquit ses lettres
de noblesse au fur et à mesure qu'elle fut corroborée par les expériences; Ce n'est qu'en 1975 que les
quarks furent détectés expérimentalement.
14 :particules complexes
Les quarks ont une propriété unique: ils sont incapables d'exister seuls, non accompagnés!
les quarks ne peuvent s'agréger que de deux manières différentes et ne donner ainsi que deux familles de
particules composites: baryons et mésons
Les nucléons sont les baryons les plus courants.
Le noyau est composé de neutrons et de protons ; la force nucléaire assure la cohésion de l’ensemble.
16 :quantum et forces d’intéraction
Max Planck postule l'idée originale selon laquelle les échanges d'énergie entre la lumière et la matière ne
peuvent se faire que par paquets discontinus, que l'on appellera les quanta.
Ces particules interagissent par l’intermédiaire de forces qu’elles génèrent en échangeant entre elles des
« médiateurs » qui sont des particules de spin entier, des bosons. La force électrofaible est ainsi due à
l’échange de photons pour sa composante électromagnétique et de bosons W et Z pour sa composante
faible. L’interaction forte entre les quarks est décrite par l’échange des gluons.
Le modèle standard est le nom donné à la théorie actuelle sur les particules fondamentales et leurs
interactions. La théorie n’inclut pas les effets des interactions gravitationnelles.
Le modèle standard a été le triomphe de la physique des particules des années 70. Le nombre grandissant
de constituants élémentaires et de paramètres sont autant de faiblesses conceptuelles du modèle standard
qui doit donc être complété. Une nouvelle particule le boson Higgs et sa force associée pourraient
expliquer certaines lacunes de la théorie (comment les particules acquièrent une masse). Aujourd’hui,
nous pouvons seulement dire que si elle existe, elle doit avoir une masse supérieure à 80GeV.
L’accélérateur de particules Large Hadron Collider du CERN va peut être permettre de la mettre en
évidence.
Protons et neutrons sont communément appelés nucléons et sont liés dans le noyau par des interactions
fortes.
L’interaction electromagnétique et l’intéraction faible sont les manifestations d’une seule intéraction,
l’intéraction electro-faible
Intéraction faible négligeable dans la plus part des cas sauf pour les interac entre neutrinos et électrons
atomiques et les noyaux.
Contrairement aux forces gravitationnelles et electrostatiques qui sont inversement proportionnelles au
carré de la distance entre 2 particules, la force forte entre 2 nucléons est une force de courte portée (~fm)
18°:photons et onde électromagnétique
Le rayonnement électromagnétique est un mode de transport spontané de l’énergie dans l’espace.
On peut se le présenter comme une double vibration affectant un champ magnétique B et un champ
électrique E. Ces 2 vibrations sont en phase, ont des directions perpendiculaires et s’engendrant de proche
en proche, conformément à la théorie de Maxwell, se déplacent dans le vide à la vitesse c selon une
direction perpendiculaire au plan qu’elles définissent.
un rayonnement électromagnétique de fréquence mu ne peut acquérir ou céder l’énergie qu’il transporte
que par quantités discontinues (quantum). Assimilant le quantum à un corspuscule, Einstein introduit la
notion de photon.
On a pu associer à chacune des particules matérielles en mvt une représentation ondulatoire.
L’onde associée doit rendre compte du caractère discontinu de l’émission. Elle ne peut être constituée que
par un train d’ondes, c’est à dire une sinusoïde dont l’amplitude est modulée par une autre fonction.
Retrouver la relation de Duane et Hunt E (eV) en fonction de (nm)
20 :propriétés des atomes
la masse n’est pas répartie de façon homogène à l’intérieur des atomes. Rutherford en bombardant une
cible mince avec des alpha a montré qu’il existe des vides considérables et que la masse se trouve
concentrée dans les noyaux atomiques dont le diamètre est 10000 fois plus faible que celui de l’atome.
Les électrons négatifs sont dispersés dans les vides périnucléaires. Tandis que les charges positives se
trouvent rassemblées dans les noyaux. Champs électrique intense au voisinage des noyaux.
Le cortège électronique est formé d’un nombre d’électrons égal au nombre Z de protons qui définit donc
la nature chimique de l’atome. Pour un même nombre Z, pour un même élément, les différentes valeurs
possibles de neutrons définissent autant d’isotopes.
Si on représente le noyau comme une sphère d’une densité de charge homogène de rayon R on trouve R=
Chaque nucléon occupe à peu près le même vol, quelque soit le noyau ou il se trouve, on dit que la mat
nucléaire est incompressible.
Les grandeurs A et Z carac parfaitement une espèces de nucléaire déterminée appelée nucléide.
La classification des noyaux est premièrement par le nombre atomique Z
Les propriétés nucléaires (stabilité avant tout) d’un noyau sont détreminées aussi par le nombre N qu’il
contient :
Isotopes : nucléides avec même Z : C12, C13, C14, U238, U235
Isotones : même N
Isobares : même A
Isomères : même Z, même A (noyau dont énergie interne la + basse représente état fondamental, autres
états excités)
La relation empirique Z=… fournit une bonne approxi pour les nucléides stables
21 :diagramme des nucléides
On observe que la densite de charge au centre est + grande pour les noyaux légers que pour les noyaux
lourds. Cette onbservation correspond bien au fait que les noyaux lourds ont un rapport de N/Z plus
grand.
Les noyaux lourds ont besoin de + de neutrons pour réduire la grande densité de charges, donc l’effet
destabilisant de la répulsion de coulomb, due au nombre élevé de protons : augmentation de la cohésion
du noyau
Toutes les combinaisons de N et Z ne donnent pas lieu à des nucléides stables ou radioactifs
A>40 noyaux stables ont + de neutrons que de protons N~1.7Z
Ligne de stabilité nb=275
Densité de matière nucléaire dans un noyau de nombre de masse A :
R0=1.35 fm
=m/v m=A/ soit =1.611 1014 g.cm-3
au delà de A=40 les noyaux ont plus de neutrons que de protons, car les noyaux lourds ont besoin de plus
de neutron pour réduire la grande densité de charge, donc l’effet déstabilisant de la répulsion de Coulomb
due au nombre élevé de protons.
Les nucléides avec un grand surplus de neutrons se stabilisent en conversant un neutron à un proton
22 :masse des noyaux et énergie de liaison
Chaque nucléon ayant une masse atomique voisine de 1 uma permet d’approcher par un nombre entier la
masse d’un atome. La valeur exacte de la masse du noyau doit tenir compte de la masse des nucléons
mais aussi du défaut de masse dû à leur liaison. L’énergie que l’on apporte à un système pour rompre une
liaison se retrouve sous forme de masse. La masse totale des constituants isolés est en effet supérieure à la
masse du composé. Le défaut de masse correspond à la différence entre la masse des A nucléons pris
séparement,et la masse du noyau constitué (pratiquement masse de l’atome diminué de Z fois la masse
d’un électron)
L’énergie globale W se répartie inégalement entre les nucléons, et cette répartition évolue constamment
au cours du temps. Seules certaines répartitions précises, correspondant à d’autant d’arangements
énergétiques du noyau, doivent être considérées.Ces arrangements peuvent être stables, compatible avec
la cohésion du noyau ou instables et conduire immédiatement à la désintégration du noyau, c’est à dire à
une émission de particule avec constitution d’un nouveau noyau (état radioactif).
La spectrométrie de masse avec les bilans énergétiques des réactions nucléaires ont permis de mesurer la
masse des atomes.
La courbe E/A en fonction de A montre une val + faible pour les noyaux légers et les noyaux lourds avec
une zone max pour les noyaux de masse moy ~8MeV plus stable
Si l’on casse noyau lourd en 2 + légers (fission) ou assemble 2 noyaux légers (fusion) on récupère de
l’énergie puisque l’on passe d’un système moins lié à un système plus lié donc moins de masse.
La val sensiblement constante de E/A indique que chaque nucléon n’est pas égale lié aux autres nucléons,
mais plutot que les forces nucl entre nucléon ne s’étendent qu’à qq nucléons : très courte portée
23 :molèles nucléaires
modèle collectif : cœur « dur » formé de nucléons dans les couches fermées et des nucléons de valence en
mouvement comme des molécules qui se trouvent à la surface d’une goutte liquide. Mouvement de
surface introduit une perturbation non sphérique au potentiel sphérique du cœur.
24 :énergie de liaison
La matière est faite de molécules, liées ensemble par les liaisons de Van der Walls. Les liaisons
chimiques constituent les molécules. L’atome est formé d’un noyau massif entouré d’électrons : le tout,
électriquement neutre, est en interaction à travers la force de Coulomb. En fait les liaisons de Van der
Walls et les liaisons chimiques ne sont que des effets résiduels de l’interaction électromagnétique_ dont la
force de Coulomb est l’une des représentations.
La matière se présente comme un ensemble organisé de particules unies entre elles par des liaisons plus
ou moins intenses selon que les associations de groupes de particules s’effectuent au sein de l’atome,
entre atomes ou molécules.
Ces liaisons sont la conséquence de système de forces antagonistes, qui ayant une résultante répulsive à
très faible distance et attractive à distance plus grande, conduisent à un certain équilibre.
25 :structure élec de l’atome : modèle de Bohr
Modèle planaire comme un système matériel electriquement neutre constitué d’un noyau central chargé +
et entouré d’électrons en mouvement. Les électrons gravitent autour du noyau sous l’action des forces
électrostatiques.
Le modèle le plus simple est celui de Rutherford dans lequel les électrons décrivent des orbites circulaires
autours du noyau. Pour que l’électron reste en équilibre dynamique sur son orbite de rayon r, il faut que la
force centrifuge mw2r soit équilibrée en permanence par l’attraction électrostatique.
Terme correspondant à l’énergie cinétique : en faisant passer l’électron de la vitesse v à l’immobilité, on a
la possibilité de récupérer une énergie cinétiqe dont l’expression est en négligeant la relativité : ½ mv2
soit ½ mw2r2
Terme correspondant à l’énergie électrostatique : On éloignant l’électron chargé – et placé à la distance x
du noyau chargé +, on lutte contre les forces coulombiennes, donc on dépense de l’énergie :
dE= f .dx l’énergie total dépensée pour x=r à l’infini E=f.r
26 : structure élec de l’atome : modèle de Bohr
Le caractère discontinu des énergies de liaison ainsi que la stabilité de l’édifice a été proposé par Bohr. Il
a introduit une notion de quantification et a admis qu’un électron tournant sur une orbite se comportait
comme un oscillateur n’émettant aucune énergie.
L’électron en équilibre sur une orbite se retrouve sous l’influence à la fois du champ électrostatique du
noyau et du champ électrique des autres électrons. C’est ce champ électrique qui fait écran entre
l’électron considéré et le noyau.
27 : structure élec de l’atome : modèle de Bohr
Valeur de W0 avec n=1 et b=0
Expression de Z tirée de la relation d’équilibre
Moment angulaire ou moment de sa quantité de mouvement M=mvr ou M=mr2
Expression quantique de W pour une orbite quelconque de rang n
C’est le moment angulaire qui ne peut prendre qu’une suite de valeurs discontinues
L’expression de cette quantification en terme d’onde associée peut s’écrire M=mvr=nh/2
Avec h/mv =  longueur d’onde associé à l’électron en mouvement
Cette relation signifie que la circonférence de l’orbite doit correspondre à un nombre entier de longueurs
d’onde, c’est à dire qu’elle doit pouvoir être compatible avec un régime d’ondes stationnaires.
Nombre d’onde : fréquence de rayonnement 1/
La totalité des raies d’un spectre obtenu expe ne peut être expliqué par la théorie simple de Bohr
28 : structure élec de l’atome : modèle de Sommerfeld
La représentation précédente à l’aide d’une orbite circulaire quantifiée que définit le nombre quantique
orbitaire n est insuffisante. La totalité des raies d’un spectre obtenu expe ne peut être expliqué par la
théorie simple de Bohr
Sommerfeld a supposé que les orbites pouvaient être elliptiques. Chaque orbite de Bohr est remplacée par
n trajectoires elliptiques de Sommerfeld. Le nombre quantique principal n définit l’énergie des électrons
sur les orbites d’ordre n.
Introduction de 3 autres nombres quantiques
Nombre quantique de spin : propriétés magnétiques de l’électron.
Lorsqu’il y a action d’un champ magnétique sur l’atome excité, on observe de petites variations des
niveaux d’énergie des orbites et leur dédoublement (effet Zeeman)
Cette variation d’énergie a été attribuée à une modification de l’orientation du plan de la trajectoire sous
l’effet du champ magnétique.
29 :constitution élec des premières couches et sous-couches
Chaque orbitale électronique comporte un nombre donné de cases quantiques disponibles; chacune ne
pouvant être occupée que par un seul électron. 2 électrons ne peuvent exister dans le même état
quantique. Le principe limite à 2n2 le nombre max d’électrons qui peuvent remplir la couche n (règle de
Stoner)
Pour une couche donnée, déf par un nombre n, l’énergie de liaison des électrons dépend de la valeur du
nombre l et pour chaque valeur de l<>0, il existe 2 énergies possibles selon le spin
Soit 1 énergie pour les 2 électrons de la couche K
3 énergies pour les 8 électrons de la couche L…
30 : structure élec de l’atome : modèle de Sommerfeld
Les fermions obéissent tous au principe d’exclusion de Pauli : deux même particules ne peuvent exister
dans le même état au même instant, à la même place. Pour les bosons de spin entier ne suivent pas cette
loi. Par exemple, un faisceau laser est formé à partir d’un « état cohérent » de nombreux photons
identiques.
Les électrons que l’on peut répartir selon les orbitales tendent à occuper un nombre max d’orbitales par le
même nombre l, avant de s’apparier en spins opposés. (règle de Hund)
31 : structure élec de l’atome : modèle de Sommerfeld
L’énergie de liaison des électrons de la couche K du tungstène est de 69500 eV. De la relalion précédente
on tire Z-b=71.49 ; cela revient à dire que la présence du cortège électronique équivaut à diminuer de 2.5
unités la charge du noyau. L’effet d’écran est d’autant plus marqué que l’électron est périphérique.
33 :processus d’ionisation
Les quantités E ainsi absorbables ne sont pas quantifiées, la seule condition étant qu’elles soient
supérieures à l’énergie de liaison Wi de l’électron. En raison de la conservation de la quantité de
mouvement et de la différence de masse de l’ion positif et de l’électron, c’est pratiquement ce dernier qui
reçoit la totalité de l’énergie cinétique T.
34 : processus d’excitation
L’absorption d’un énergie insuffisante pour rompre la liaison d’un électron peut entrainer une
modification de la structure électronique. L’atome est alors exité.
En vertu du principe d’exclusion de Pauli, un tel phénomène implique l’existence d’une place libre sur
l’orbite j. Les possibilités de liaison les plus fortes, par ailleur, toutes occupées à l’état fondamental. En
concéquence, ce mécanisme intéresse surtout les électrons périphériques responsables des propriétés
chimiques; l’excitation modifie certaines de ces propriétés. L’existence de réactions photochimiques,
c’est à dire catalysées par une absorption de photons, ne fait que traduire une telle éventualité.
35 :retour à l’équilibre : fluorescence
Un atome ayant subi une excitation ou une ionisation se trouve dans un état instable qui correspond à un
excès d’énergie par rapport à l’état fondamental. Cette restitution de l’énergie absorbée s’effectue par
l’émission immédiate (10-6 s) d’un ou plusieurs photons.
On observe plusieurs photons si le retour à l’état fondamental s’effectue de proche en proche par une
cascade de transitions intéressant plusieurs électrons. Le résultat de ces cascades, lorsqu’elle sont
consécutives à une ionisation, est de reporter celle-ci vers une couche plus externe, l’ion revenant à l’état
fondamental par capture d’un électron libre du milieu.
36 : retour à l’équilibre : fluorescence
Phénomène étroitement lié à la structure énergétique des atomes
Lorsqu’un grand nombre d’ionisations et d’excitations ont eu lieu dans un matériau donné, les photons de
fluorescence émis correspondent à un certain nombre de transitions. On obtient un spectre de raies
caractéristiques des éléments constituant le matériau.
L’émission de flux est généralement décrite suivant la destination des électrons en cascade (fluo K)
39 : retour à l’équilibre :effet Auger
L’énergie qui devient libérable lors d’une transition d’un électron de la couche j vers la couche i peut être
communiqué à un électron plus périphérique, lié par une énergie inférieure à Wi – Wj. Ce deuxième
électron se trouve éjecté avec une énergie cinétique (Wi-Wj)-Wx.
Beaucoup plus fréquent que la fluorescence pour les éléments légers des milieux biologiques, il peut
représenter 90% du mécanisme d’émission de l’énergie lors du retour à l’état fondamental.
Après un effet Auger, l’atome se trouve de nouveau ionisé. Cette deuxième ionisation porte sur une
énergie de liaison plus faible que celle intéressant la perturbation primitive.
40 :absorption d’énergie dans les molécules
Les électrons les plus périphériques, responsables des propriétés chimiques gravitent sur des orbites
communes à des groupements de plusieurs atomes. Ces orbites sont quantifiées et les énergies de liaison
de leurs électrons sont caractéristiques des molécules et des groupements chimiques constitués. La
disposition particulière des raies d’absorption et de fluorescence permet dans certains cas de reconnaître
la présence de groupements précis ou chromophores (absorption de l’énergie des photons dans un gemme
du spectre visible tandis que les autres sont réfléchies : carotène)
41 : absorption d’énergie dans les molécules
L’absorption d’énergie par le milieu s’effectue par les transferts d’énergie qui se produisent lors des
collisions entre les particules chargées incidentes et les électrons du milieu. Ces derniers appartiennent à
des édifices atomiques ou moléculaires auxquels ils sont liés avec une certaine énergie de liaison.
En moyenne, lorsqu’un électron incident produit dans l’eau une ionisation correspondant à la perte de 16
eV, il produit également 3 excitations et un nombre plus grand de transferts thermiques qui représente au
total une perte d’énergie du même ordre. Ainsi, pour une ionisation créée dans le milieu, l’électron
incident perd en moyenne 32 eV.
42 : absorption d’énergie dans les molécules
Le premier potentiel d’ionisation des molécules correspond à l’énergie permettant de leur arracher un
premier électron. Il diffère légèrement de celui des atomes. Il varie en fonction des transformations
accompagnant l’ionisation : H2O par exemple conduit à H2O+
absorption d’énergie dans les molécules
Les transitions électroniques consécutives aux excitations survenues à ce niveau s’accompagne de
l’émission de photons dont l’énergie appartient au domaine du visible ou à son voisinage.
43 :
absorption d’énergie dans les cristaux
Un électron dispose d’un grand nombre niveaux énergétiques possibles. Très proches les uns des autres,
ces niveaux constituent une suite de valeurs pratiquement continues ou bande de valence.
A l’état fondamental, toutes les places disponibles dans cette bande sont occupées.
A chacun d’eux correspond une série de niveaux excités suivant la bande de conduction. Elle permet à un
électron de recevoir la petite quantité d’énergie nécessaire au déplacement qui caractérise la conduction
électrique. La structure cristalline se comporte comme un isolant électrique.
La présence d’impuretés crée des niveaux d’énergie susceptibles d’accueillir des électrons à l’intérieur de
la bande interdite. L’excitation et la désexcitation se produisent en utilisant ce niveau intermédiaire. Les
photons de fluorescence ont donc une énergie quantique inférieur à la bande de valence de l’ordre de 2 à 3
eV domaine du visible alors que la bande interdite impose des énergies sup à 3 eV qui conduirait à une
émission d’ultraviolets auxquels le cristal est opaque.
44 :
45 : absorption d’énergie dans les cristaux
Le matériau est choisi pour que la longueur d’onde du rayonnement qu’il émet, indep. du rayon qui le
produit, soit adapté à l’utilisation :
Ecrans de radioscopie directe :émission proche du max de sensibilité de l’œil soit 2.27 eV
Ecrans renforçateurs qui émettent un rayon auquel est sensible l’émulsion photographique.
Compteur à scintillation : fluorescence visible de 410 nm soit 3 eV, à laquelle l’iodure de sodium est
transparent et à laquelle les photomultiplicateurs sont sensibles.
Radio stimulée : une fine couche de sel de baryum fluoré emmagasine l’énergie des photons X sur un
niveau stable et c’est dans un second temps, lors de la relecture de l’écran par le balayage d’un faisceau
laser (hélium-néon émettant à 663 nm) que se produit la réémission des photons lumineux qui sont
adressés par des fibres optiques à un photomultiplicateur.
47 :rayonnement ionisants
L’électron présente un intérêt majeur dans la mesure où c’est principalement sur lui que reposent les
mécanismes des échanges énergétiques entre la matière et les rayonnements.
Tubes à décharge (vapeur de sodium->lumière jaune)
50 :détection des rayonnements ionisants
les ionisations sont à l’origine des effets utilisés pour la détection des rayonnements
- détecteurs à gaz : chambres d’ionisation, compteur proportionnel et compteur geiger Muller
- détecteurs solides : scintillateurs et semi conducteurs
51 : concept de résonance magnétique
Champ terrestre : 0.5 10-4 T
IRM : 0.3 à 1.5 T
L’exsistence d’un moment magnétique est de façon générale due à la présence de charges électriques en
mouvement. Ainsi le noyau d’hydrogène constitué d’un seul proton, parce qu’il possède une charge
électrique et tourne sur lui-même (mvt de spin) présente un moment magnétique . Moment de particule
élémentaire obéissant à la physique quantique. On l’associe au moment magnétique macroscopique M,
responsable de l’enregistrement des signaux issus d’un petit élément de volume M=. Lorsque m est
soumis à un champ magnétique B0, 3 phénomènes sont observés :
- orientation de caractère discontinue affecte à mu deu possiblités d’angle par rapport à B0
- une énergie d’interaction donnant pour le proton 2 niveaux énergétiques, avec des possibilités
d’absorption et d’émission lorsque mu passe de l’un à l’autre comme un électron
- une rotation appelé précession de mu autour de B0 avec une vitesse angulaire répondant à la
relation de Larmor W0=B0 avec g une cste caractéristique de la particule appelé rapport
gyromagnétique g/2pi = 42.6 Mhz T-1 pour le proton.
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Un rayonnement électromagnétique de fréquence /2 agit sur le système champ-moment B0mu. Cela se produit lorsque w =w0 d’ou le nom de résonance. Le photon est totalement
absorbé lors de l’interaction et son énergie hmu correspond à la valeur de la transition entre les
2 niveaux de mu. Résultat de l’interaction : basculement des moments mu passant de la
position la moins énergétique à la plus énergétique ce qui modifie la répartition des 2
populations et crée la composant longitudinale Ml parralèle à B0 ; et une modification des
phases de précession des différents moments mu ce qui fait apparaître une composante
transverse.
Les actions précédentes de bascule et de modif de phase se combinent de façon à ce que le
mouvement de M se traduit comme un rotation l’amenant progressivement dans la position
opposée à B0 avant de le faire revenir à sa position initiale. L’angle entre M et B0 est
proportionnel au produit de l’intensité du rayonnement par sa durée d’application très courte
(impulsion radiofréquence). On a ainsi w0=1.5*42.6=63.9 Mhz