ENSEIGNEMENTS DE PREMIERE ANNEE Année 2015 /2016 14, rue Enrico Fermi - Bâtiment Gabriel Lippmann Domaine Scientifique de la Doua 69622 Villeurbanne cedex Site web: http://master-physique.univ-lyon1.fr E-mail : [email protected] Objectif La première année du master est une année commune à la voie recherche et à la voie professionnelle d'un master qui se prépare en deux ans. L'objectif principal du master de Physique est d'assurer durant ces deux années la formation pédagogique de base indispensable aux étudiants désireux d'entreprendre une thèse de doctorat dans le domaine de la physique et de l'astrophysique aux étudiants souhaitant entrer dans la vie active à un niveau "bac+5". Ce master représente donc un ensemble de formations réparties sur quatre semestres. Au-delà de la première année (semestre 1 et 2), les étudiants inscrits en master précisent leur orientation. En effet, les semestres 3 et 4 se déclinent en termes de spécialités et comportent un stage en laboratoire pour le Master Recherche et un stage en milieu industriel pour le Master Professionnel. Les spécialités du master deuxième année sont : Physique Fondamentale (PhysFond) Physique atomique et moléculaire, Matière condensée, Optique Physique subatomique et Astrophysique Synthèse, vieillissement et caractérisation des matériaux du nucléaire (SYVIC) Développement instrumental pour les micro et nanotechnologies (DIMN) Environnement, Atmosphère et radio protection (EAR) Le présent livret ne décrit que la première année et ne rentre pas dans le détail des parcours de deuxième année. Un parcours physique chimie au sein de la première année de ce master s’est mis en place à la rentrée 2005. Il a pour objectif de continuer la formation à Bac+4 en physico chimie et permet aux étudiants engagés dans ce parcours de poursuivre en voie recherche ou professionnelle. La délivrance d'une maîtrise de physique aux étudiants ne poursuivant pas en M2 est possible. La première année de master permet de suivre la plupart des enseignements de 1er semestre en anglais. Les étudiants non francophones ont un soutien en "Français Langue Etrangère". Conditions d'accès Sont admis en première année de master, professionnel ou recherche, les étudiants titulaires d'une licence européenne de Sciences et Technologies les étudiants étrangers titulaires d'un diplôme équivalent après accord d'une commission d'équivalence les élèves ingénieurs après accord de l'équipe de formation 2 Coordonnées Coordonnateur du M1 et Responsable du Parcours Physique : S. PERRIES - Bâtiment Paul DIRAC Téléphone: 04 72 43 27 44 [email protected] Courriel: Responsable du Parcours Physique – Chimie : D. DAVESNE - Bâtiment Paul Dirac Téléphone : 04 72 44 81 43 [email protected] Courriel: Scolarité du département de Physique : Domaine de la DOUA Bât. Lippmann 1er étage, 14 Rue Enrico Fermi, 69622 Villeurbanne Téléphone : 04 72 43 26 89 ou 04 72 43 19 67 Courriel: [email protected] 3 ORGANISATION DE LA PREMIERE ANNEE DE MASTER parcours physique Le programme du master première année est constitué d'unités d'enseignement (UE) réparties en Un tronc commun de 51 ECTS qui comprend : o Physique expérimentale (6 ECTS) o Informatique (6 ECTS) o Une UE obligatoire « insertion professionnelle et stage » (9 ECTS) o o o o Physique Atomique (6 ECTS) Milieux continus (6ECTS) Physique Nucléaire (6 ECTS) un choix d’un enseignement de base complémentaire de 12 ECTS (2 modules de 6 ECTS chacun) à choisir parmi les 7 UE suivantes : Mécanique quantique Physique statistique Physique du solide Traitement du signal Optique et lasers Nano sciences Environnement Un enseignement optionnel de 9 ECTS à choisir dans les listes d'UE proposées. Pour obtenir les 60 ECTS de M1, les 9 ECTS manquants sont à prendre sous forme d’options (au minimum TROIS) dans les listes proposées par le master ou dans d'autres disciplines. Ci-dessous les listes proposées par le master de Physique. Chaque UE vaut 3 ECTS : Astrophysique : évolution de l'univers et cycle des éléments Electromagnétisme et relativité Réacteurs nucléaires Introduction à la physique des particules Biophysique Capteurs Relativité générale Symétrie Initiation à la Matière Molle Climat et observation satellite Interactions particules matière 4 ORGANISATION DE LA PREMIERE ANNEE DE MASTER parcours physique-chimie Le parcours physique chimie de la première année du master de physique combine des UE du master de physique, des UE des masters 'Chimie', 'Analyse et Contrôle' et 'Ingénierie pour la Santé'. Le programme est constitué de Quatre UE obligatoires du parcours physique o Milieux continus (6 ECTS) o Physique expérimentale (6 ECTS) o Stage et Insertion professionnelle (9 ECTS) o Physique du solide (6 ECTS) Trois UE obligatoires du master 'Chimie' o Spectroscopie moléculaire (6 ECTS) o Multi-équilibres dans les systèmes chimiques (6 ECTS) o Synthèse organique réactivité des composés carbonylés (3 ECTS) Deux UE adaptées, du master physique. o Physique microscopique (6 ECTS) o Une UE de base choisie parmi les 7 proposées (6 ECTS) Pour obtenir les 60 ECTS de M1, les 6 ECTS manquants sont à prendre sous forme d’options dans les listes proposées par le master ou dans d'autres disciplines. Cidessous les listes proposées par le master de Physique. Chaque UE vaut 3 ECTS. Astrophysique : évolution de l'univers et cycle des éléments Electromagnétisme et relativité Réacteurs nucléaires Introduction à la physique des particules Biophysique Capteurs Relativité générale Symétrie Initiation à la Matière Molle Climat et observation satellite Interaction Particules Matière 5 DESCRIPTION DES MODULES DU TRONC COMMUN Le tronc commun est composé de : Cinq UE qui forment le semestre S1 du Master o o o o Physique Atomique (6 ECTS) Milieux continus (6ECTS) Physique Nucléaire (6 ECTS) un choix d’un enseignement de base complémentaire de 12 ECTS (2 modules de 6 ECTS chacun) à choisir parmi sept modules Trois UE qui forment une partie du semestre S2 du Mater o Physique expérimentale (6 ECTS) o Informatique (6 ECTS) o Insertion professionnelle et stage (9 ECTS) 6 PHYSIQUE EXPERIMENTALE 6 ECTS Enseignants : Corinne AUGIER, Christophe BONNET, Bruno CANUT, Isabelle COMPAGNON, Bruno CONCINA, Laurent DUCROUX, Christophe DUJARDIN, Jules GASCON, Stephan GUY, Pascal KLEIMANN, Christophe PIRAT, Jérôme MORVILLE T.P. : 48h 12 TP de 4 heures à choisir de manière cohérente par rapport au choix des U.E. de Tronc Commun. Sur ces 12 TP, 8 sont obligatoires et couvrent l'ensemble du programme de master première année, 4 TP sont au choix. L'ensemble des 12 TP a lieu au second semestre. INFORMATIQUE 6 ECTS Enseignants : Abdul-Rahman ALLOUCHE, Franck RABILLOUD, Patrick NEDELEC 50 h L’enseignement a lieu au second semestre. Pré requis : Bases de programmation orientée objets Objectifs : o Acquisition de compétences approfondies en programmation orientée objets o Application de ces compétences sur des projets évolués Outils informatiques : C++, linux Programme : I - Rappels de programmation de base en C++ II - STL (Standard Template Library) III - Modèles de conception réutilisable IV - Concept généraux de programmation orientée objets Travaux Pratiques : o Application à la simulation de systèmes complexes, avec analyse détaillée des résultats o Systèmes chaotiques o Réseaux (Modèle d'Ising, Agrégats, ...) o Minimisation (problème du voyageur de commerce) o Méthodes Monte-Carlo o Traitement du signal (Analyse de Fourier) o Ajustement de données (méthode des moindres carrés) o Résolution d'équations différentielles (Lokta-Voltera, mécanique des fluides) o Ouverture vers d'autres domaines : Economie, trafic routier, Géologie... 7 INSERTION PROFESSIONNELLE ET STAGE 9 ECTS Responsable : Brigitte PREVEL INSERTION PROFESSIONNELLE L’année de M1 est une année charnière puisque vous êtes amenés à choisir votre orientation de M2 : 4 spécialités sont proposées dans le master de Physique, certaines sont dites professionnalisantes (et ouvertes en alternance) et vous permettent un accès direct dans le monde socio-économique, d’autres sont plus axées vers la recherche et vous permettent de continuer par une thèse en laboratoire. Quel que soit votre choix il est important de réfléchir dès aujourd’hui à votre projet professionnel et d’anticiper. L’UE a pour objectif de vous aider à développer et affiner votre projet professionnel mais également de vous ouvrir à différents aspects de la vie de l’entreprise/laboratoire. Les outils utilisés sont les suivants : Ateliers CV/ Lettre de Motivation et Portefeuille de compétences Atelier sur les méthodologies de recherche d'information, les outils de bibliographie très utilisés en recherche, la fiabilité des sources ainsi qu’une initiation à la veille technologique Présentation des spécialités du M2 de Physique : DIMN, EAR, Physfond et SYVIC Présentation des laboratoires de recherche de votre environnement Forum entreprises Sciences et Technologies Une table ronde avec des anciens du master Stage en laboratoire de recherche ou en entreprise, d’une durée de 6 semaines minimum. STAGE 6 semaines temps plein Le stage en M1 s’effectue obligatoirement dans un environnement scientifique qu’il soit public ou privé. Le choix du lieu du stage est un élément essentiel dans la construction du projet professionnel de l’étudiant. Il peut avoir lieu à Lyon, ailleurs en France ou à l’étranger. Il sanctionne six semaines de travail à temps plein. Un responsable de stage est associé à l’étudiant. Le stage donne lieu à la remise d’un rapport écrit, d’un vingtaine de pages, ainsi qu'à une soutenance orale d'environ 15 mn devant un jury. Le stage se déroule typiquement entre mi Mai et fin Juin ; la soutenance doit impérativement se faire avant fin juillet pour permettre la validation du M1. 8 MILIEUX CONTINUS 6 ECTS Enseignants : En français : Christophe PIRAT, Stella RAMOS-CANUT, Osvanny RAMOS En anglais : Loïc VANEL, Thomas BUCHERT Cours : 28 heures ; TD : 26 heures 1) TRANSFERTS ENERGETIQUES. o description des principaux modes d'échanges: diffusion, convection, rayonnement o diffusion thermique, loi de Fourier, propriétés thermiques des matériaux. 2) TRANSFERTS DE MASSE PAR DIFFUSION. o diffusion d'un traceur dans un solide ou un liquide. o modèle microscopique de la diffusion. 3) NOTIONS D’ELASTICITE. o Déformations et contraintes. Modules d’élasticité. Etude de quelques déformations simples. 4) MECANIQUE DES FLUIDES. o fluides newtoniens et non newtoniens, aspects micro et macroscopiques. o équation de Navier Stokes, nombre de Reynolds, écoulements laminaires simples. o notions sur les instabilités, exemple de la convection thermique. o notions sur les couches limites. 5) APPLICATIONS. o transport de matière dans un milieu poreux. o couche limite thermique. 9 PHYSIQUE ATOMIQUE 6 ECTS Enseignants : En français : Marie Ange LEBEAULT, Driss RAYANE En anglais : Pierre-François BREVET Cours : 28 heures ; TD : 26 heures ATOMES o o o o o o o o o o Transitions optiques Atome d’hydrogène Effets relativistes dans l’atome d’hydrogène Méthode du potentiel central moyen – Configurations spectraux Couplages L-S, j-j, structure fine Structure hyperfine Effet Zeeman Résonance Magnétique Transitions optiques Spectroscopie optique - Termes MOLECULES o Approximation de Born-Oppenheimer o Spectres de rotation et de vibration o Application aux molécules diatomiques Remarque : des bases élémentaires de mécanique quantique sont nécessaires pour suivre cet enseignement. 10 PHYSIQUE NUCLEAIRE 6 ECTS Enseignants : En français : Daniel GUINET, Corinne AUGIER, Eric CHABANAT En anglais : Jules GASCON, Lionel CHAUSSARD Cours : 28 heures ; TD : 26 heures CARACTERISTIQUE GENERALES DES NOYAUX : TAILLE ET MASSE 1) 2) 3) 4) MODES DE RADIOACTIVITE 1) 2) 3) 4) 5) Introduction et définitions Rayon nucléaire Masse des noyaux Etats fondamentaux et excités des noyaux Lois de la radioactivité Radioactivité α Désintégration β Désintégration γ Fission nucléaire DOSIMETRIE ET DETECTION 1) Interactions particules chargées-matière 2) Interaction photon-matière et neutron-matière 3) Statistique et mesures radioactives 4) Dosimétrie et notions de radioprotection 5) Détecteurs en spectrométrie et en dosimétrie. Accélérateurs APPLICATIONS DES REACTIONS NUCLEAIRES 1) Propriétés générales 2) Fusion nucléaire 3) Nucléosynthèse 4) Structure du nucléon 11 MECANIQUE QUANTIQUE 6 ECTS Enseignants : En français : Imad LAKTINEH, Karim BENNACEUR En anglais : Aldo DEANDREA, Dimitrios TSIMPIS Cours : 28 heures ; TD : 26 heures Remarque importante : Cet enseignement est un approfondissement de la mécanique quantique. Des connaissances de mécanique quantique de base sont indispensables. POSTULATS ET FORMALISTE : RAPPELS ET APPROFONDISSEMENTS (2h) MOMENT CINETIQUE ET ROTATIONS EN M.Q (7h) 1) Valeurs propres et vecteurs propres du moment cinétique : rappels et compléments 2) Addition de moments cinétiques 3) Rotations en mécanique quantique 4) Matrices rotation 5) Opérateurs tensoriels 6) Généralisation : symétries et invariance SYSTEME DE PARTICULES IDENTIQUES (6h) 1) 2) 3) 4) 5) TRAITEMENT PERTURBATIF DE L'EVOLUTION D'UN SYSTEME QUANTIQUE (7h) 1) 2) 3) 4) Postulat de symétrisation Système de fermions Système de bosons Densité des particules et prévisions physiques Système à deux électrons Les différentes représentations de la MQ Développement en perturbation (représentation d'interaction) Perturbation constante Perturbation sinusoïdale TRAITEMENT NON PERTURBATIF DE L'EVOLUTION D'UN SYSTEME QUANTIQUE (8h) 1) Exemple d'approche non perturbative 2) Théorie de la diffusion 12 PHYSIQUE STATISTIQUE 6 ECTS Enseignants : En français : Tristan ALBARET, Driss RAYANE En anglais : NT Cours : 28 heures ; TD : 26 heures Remarque importante : Cet enseignement est un approfondissement de la physique statistique. Des connaissances de physique statistique de base sont conseillées. INTRODUCTION NOTIONS, CONCEPTS ET POSTULATS DE LA PHYSIQUE STATISTIQUE 1) Notions de Mécanique Classique 2) Hypothèses & Postulats 3) Les ensembles de Gibbs et applications LES STATISTIQUES QUANTIQUES 1) 2) 3) 4) Mécanique statistique Quantique Statistiques de Bose et de Fermi Gaz parfait de bosons et condensation de Bose-Einstein Gaz parfait de Fermi SYSTEMES DE PARTICULES EN INTERACTION- THEORIE DU CHAMP MOYEN 1) Les gaz classiques imparfaits Déviation par rapport à la loi des gaz parfaits. Idée de champ moyen et équation de van der Waals. La transition liquide-gaz. Le point critique. Les exposants critiques 2) Les systèmes magnétiques Ferromagnétisme. Hamiltonien de Heisenberg. Limite des températures élevées : Paramagnétisme. Le modèle d’Ising unidimensionnel. Transition ordre-désordre. Approximations de Bragg-Williams et de Bethe-Peierls. La théorie du champ moyen de Weiss. Comportement critique. 3) Les particules chargées Champ moyen et longueur d’écran. Théorie de Debye Hückel 13 PHYSIQUE DU SOLIDE 6 ECTS Enseignants: En français : Alain MERMET, Julien LAVERDANT En anglais : Alfonso SAN MIGUEL, Gianpietro CAGNOLI Cours : 28 heures ; TD : 26 heures 1) INTRODUCTION: GENERALITES SUR L'ETAT CONDENSE. o L'état condensé. Energie de cohésion des phases condensées (gaz inertes, systèmes ioniques, métaux, systèmes covalents). o Description des structures cristallines, réseau de Bravais. Classification des réseaux de Bravais. Autres réseaux périodiques, exemples de structures simples. o Réseau réciproque, plans cristallins. Conséquences de la périodicité. o Diffraction des rayons X par un cristal. 2) PROPRIETES ELECTRONIQUES. o Le modèle des électrons libres. o Thermodynamique : densité d'états, état fondamental, propriétés thermiques. o Transport : modèle de Drude-Sommerfeld. Conductivité thermique et électrique. Dépendance en température. o Electrons dans un potentiel périodique - structure de bandes. o Théorème de Bloch.et application : existence de bandes d'énergie. o Cas des potentiels faibles : approche perturbative, largeur des gaps d’énergie. o Densité d'états et surface de Fermi. o Isolants, métaux, semi conducteurs. Méthode des liaisons fortes : hybridation et généralisation. 3) VIBRATIONS DU RESEAU CRISTALLIN (PHONONS). o L'approximation de Born-Oppenheimer. Modes acoustiques. Modes optiques. Cas unidimensionnel. Généralisation à 3 dimensions. Application du théorème de Bloch, matrice dynamique. Lien avec l'élasticité macroscopique. o Quantification, les phonons. o Thermodynamique. Généralités. Limites haute et basse température. o Schémas d'interpolation d'Einstein et de Debye. Densité d'états. o Interaction avec un rayonnement. o Interaction entre phonons: Anharmonicité, conduction thermique dans les isolants. o Propriétés optiques. 14 TRAITEMENT DU SIGNAL 6 ECTS Enseignants: Pascal KLEIMANN, Louis RENAUD Cours : 28 heures ; TD : 26 heures 1) PARTIE I : PRODUIT DE CONVOLUTION ET ANALYSE SPECTRALE (10 HEURES) 1. Les monochromateurs, le pb de la résolution 2. Les Systèmes Linéaires Invariants : Approche temporelle a. réponse impulsionnelle, réponse à une entrée quelconque b. Démonstration mathématique, recette pour la convolution c. Application à un capteur de constante de temps RC 3. Le son : intérêt de voir dans l'espace des fréquences 4. La transformée de Fourier : rappels et recettes mathématiques 5. Les Systèmes Linéaires Invariants : Approche fréquentielle 6. Les filtres 7. La propagation de la lumière : un filtre passe bas a. Correspondance ondes planes/analyse de Fourier b. La fonction de transfert de l'espace c. Fresnel d. Fraunhoffer e. Lentilles f. Montage 4f, filtrage en imagerie g. L'holographie h. Modulation d'amplitude et de fréquence 2) PARTIE II : LE BRUIT (4 HEURES) 1. Analyse mathématique d'un signal aléatoire a. Moyenne, variance, autocorrélation, densité spectrale de puissance 2. Bruits usuels a. bruit gaussien et uniforme b. bruit blanc c. sources de bruit : thermique, grenaille et bruit de quantification 3. élimination du bruit a. filtrage b. accumulation => numérique dans la partie oscilloscope c. détection synchrone d. autocorellateur e. boxcar 3) PARTIE III : LA NUMERISATION DES SIGNAUX (14 HEURES) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Pb fréquentiel : Shannon Pb vertical : dynamique et bruit de quantification Description d'une chaine CAD Les filtres numériques : RIF et RII La transformée en z La Transformée de Fourier Discréte Comparaison entre des appareils analogique et numérique : a. Oscilloscope b. Analyseur de spectres c. Analyse d'image d. Détection synchrône 15 OPTIQUE DES LASERS 6 ECTS Enseignants : Jérôme MORVILLE, Clémentine SYMONDS Cours : 28 heures ; TD : 26 heures 1) PHYSIQUE DE L'EMISSION LASER o Émission stimulée, gain, seuil, puissance émise 2) EXEMPLES DE LASER ET PROPRIETES o Gaz, solides, vibroniques, semi-conducteurs, ultrabrefs 3) INTERACTIONS LASER-MATIERE o Diffusion simple et multiple, absorption, fluorescence o Optique non-linéaire: fluorescence multiphotonique, d'harmoniques supérieures, o Piégeage optique génération 4) TECHNIQUES DE MICROSCOPIE ET D'IMAGERIE o o o o Microscopie confocale, épimicroscopie Contraste de phase et méthodes interférométriques Imagerie de fluorescence et optique non-linéaire Imagerie en milieu très diffusant 5) APPLICATIONS DES LASERS o o o o recherche fondamentale environnement métrologie médecine 16 NANO SCIENCES 6 ECTS Enseignants : Catherine JOURNET, Alexandre TAMION Cours : 28 heures ; TD : 26 heures 0) INTRODUCTION 1) LOIS D’ECHELLE 2) FORMES D’EQUILIBRE 1. Forme des cristaux / théorème de Wulff TD Théorème de Wulff/Modèle des liaisons coupées TD Forme d’équilibre de nanoparticules métalliques/ Modèles en couches géométriques et couches électroniques 2. Phénomènes d’adhésion 3. Fullerènes TD Fullerènes purs et hétérofullerènes/ règle d’Euler/ analyse de spectre de masse 4. Nanotubes TD Structure des nanotubes 3) DEPOTS – SYNTHESE 1. Nanolithographie 2. Synthèse en phase gazeuse Chemical Vapor Deposition (CVD) Méthodes haute température 3. Synthèse par voie physique LECBD Magnétron 4. Chimie humide/ Les colloïdes 5. Création de nanostructures 4) CARACTERISATION 1. La microscopie électronique Intérêt des électrons / Description des éléments principaux MET, MEB ,Principe du microscope en transmission à balayage (METB) 2. La microscopie à sonde local STM TD STM/ Effet Tunnel/ Variation de l’intensité dans une mesure STM AFM 5) PROPRIETES OPTIQUES 1. Les électrons dans la matière 2. Effet de la réduction de volume sur les propriétés optiques des nanomatériaux Densité d’état 3D/2D/1D/0D TD 3D / quantum wire / quantum dot Propriétés des excitons dans les structures nanométriques TD Exciton/ Niveaux d’énergie/ Blue Shift 3. Spectrométrie 6) PROPRIETES ELECTRONIQUES 1. Le transistor MOS ou MOSFET 2. Les limites du CMOS 3. Dispositifs tunnel résonants 4. Dispositifs à un électron TD blocage de Coulomb 5. Applications des dispositifs à un ou quelques électrons 7) PROPRIETES MAGNETIQUES 1. Généralités/Le macrospin 2. Le modèle de Stoner et Wohlfarth (retournement cohérent de l’aimantation dans un agrégat magnétique) 3. Le superparamagnétisme TD application du modèle de SW à une anisotropie uniaxiale et superparamagnétisme 4. Applications (médicale / enregistrement numérique) 8) APPLICATIONS 1. La nanoélectronique et l’informatique 2. Mémoires de masse 3. La nanomédecine 4. La mécanique 5. La cosmétique 17 ENVIRONNEMENT 6 ECTS Enseignants : Patrick RAIROUX, Bruno CONCINA Cours : 28 heures ; TD : 26 heures Cet enseignement fait partie des cours d’approfondissement de physique dédié à la compréhension de l’environnement. Nous présentons les outils théoriques et instrumentaux pour comprendre les phénomènes fondamentaux de l’évolution et de la dynamique de l’environnement. Des cas très pratiques seront également abordés permettant à l’étudiant de se sentir à l’aise dans les concepts du climat, du bilan radiatif, du bilan carbone. L’enseignement sera donné sous la forme d’un cours magistral et de travaux dirigés où les étudiants en groupe seront également amenés à résoudre des problèmes teigneux. La notion d’environnement est très large, pour cette raison, on restreindra cet enseignement sur les thèmes de l’atmosphère, les océans et l’énergie. Le cours et les travaux dirigés seront présentés selon le plan suivant : 1) INTRODUCTION : o Environnement et physique, de quoi parle-t-on ? 2) L’ATMOSPHERE : o Propriétés thermodynamiques et mécanique, les courants atmosphériques, la spectroscopie de l’atmosphère, l’équation radiative de l’atmosphère, la microphysique de l’atmosphère : de la molécule à la goutte de pluie. 3) LES OCEANS : o La thermodynamique de l’eau dans les conditions extrêmes de température et de pression, la salinité et les courants marins, le couplage océan-atmosphère (la pompe à chaleur grandeur nature). 4) L’ENERGIE ET L’ENVIRONNEMENT: o De quoi parle-t-on ? Rappel des lois fondamentales, la thermique, la combustion, le bilan carbone. 5) CONCLUSION : o Synthèse des lois de la physique présentées et développées dans le cours, perspectives. 18 DESCRIPTIONS DES MODULES OPTIONNELS 19 ASTROPHYSIQUE : EVOLUTION DE L'UNIVERS ET CYCLE DES ELEMENTS 3 ECTS Enseignants : Jean-François GONZALEZ, Alexandre ARBEY Enseignement intégré utilisant les TICE Cette UE utilisera les Techniques Informatiques de Communication et d’Enseignement (TICE). Les étudiants auront accès au contenu du cours dans des créneaux horaires encadrés par un tuteur dans une salle équipée d’ordinateurs, mais aussi en libre accès en dehors de ces créneaux. Le fonctionnement sera similaire à celui de l’option astrophysique du semestre 6 du cycle Licence : les étudiants n’auront pas à prendre de notes et se concentreront sur le contenu. Ils auront à leur disposition de nombreuses illustrations sous formes d’images, d’animations simples ou interactives, et de TP virtuels, ainsi que des exercices d’auto évaluation. Remarque : Des connaissances en thermodynamique, physique statistique et des notions de bases de mécanique quantique sont nécessaires. Les chapitres proposés sont les suivants: COSMOLOGIE ET MATIERE NOIRE : o Dynamique à grande échelle et contenu de l’Univers, quintessence, constante cosmologique o Histoire thermique de l’Univers à partir du Big Bang, inflation o Formation et évolution des galaxies o Questions ouvertes sur les théories actuelles LE CYCLE DES ELEMENTS : o Nucléosynthèse primordiale o Abondance des éléments : dans les étoiles, les météorites du système solaire, le milieu intergalactique… o Structure et évolution des étoiles conduisant à la fabrication des éléments lourds o Recyclage du gaz et des éléments, évolution chimique du milieu interstellaire vers des molécules complexes 20 ELECTROMAGNETISME ET RELATIVITE 3 ECTS Enseignants : Houmani EL MAMOUNI, Gérald GRENIER Cours : 16 heures ; TD : 14 heures RAPPELS GENERAUX : RELATIVITE, ELECTROMAGNETISME, INVARIANCE DE JAUGE INTRODUCTION AUX TENSEURS AVEC APPLICATION AUX TRANSFORMATIONS DE LORENTZ TENSEUR DE FARADAY CHANGEMENT DE REFERENTIEL DU CHAMP ELECTROMAGNETIQUE CHAMPS ELECTROMAGNETIQUE ENGENDRES PAR UNE CHARGE EN MOUVEMENT POTENTIELS RETARDES TRANSFORMATION DES CHAMPS D ET H RAYONNEMENT SYNCHROTRON 21 INTRODUCTION A LA RELATIVITE GENERALE 3 ECTS Enseignants : Alexandre ARBEY Cours : 16 heures ; TD : 14 heures Le but de ce cours est en priorité de dériver le formalisme de la relativité restreinte et d’introduire les bases de la relativité générale. Dans ce cours, nous nous intéresserons dans une première partie à la relativité restreinte : nous dériverons la transformation de Lorentz et nous introduirons le formalisme covariant qui nous sera utile dans le cadre de la relativité générale. Nous étudierons le phénomène de dilatation du temps et de contraction des longueurs lors de déplacements à grande vitesse. Une deuxième étape sera l’étude de la relativité générale. Nous aborderons tout d’abord le formalisme des espaces courbes de Riemann, avec l’introduction du tenseur métrique, de la connexion affine et du tenseur de Riemann, et l’étude du déplacement parallèle. En introduisant le principe d’équivalence, nous généraliserons la gravitation newtonienne aux espaces courbes et nous dériverons ainsi les équations d’Einstein. Nous utiliserons ces équations dans le cadre des métriques de Schwarzschild et de Robertson et Walker, et nous y effectuerons quelques applications. 22 REACTEURS NUCLEAIRES 3 ECTS Enseignants : Philippe PONCHARAL, Michaël BEUVE Cours : 16 heures ; TD : 14 heures Ce cours a pour but de donner une solide introduction à la physique des réacteurs (neutronique) tout en donnant une vue d’ensemble du fonctionnement global d’une centrale nucléaire, du cycle du combustible et des perspectives de l’industrie nucléaire. Les notions de base de physique nucléaire, de sections efficaces et d’interactions particules-matière traitées dans le cours « Noyaux et radioactivité » sont un prérequis indispensable à ce cours sur les « réacteurs nucléaires ». Elles seront approfondies dans la première partie du cours pour donner les grands principes physiques et biologiques qui sous-tendent les règles de radioprotection. Le cœur de la physique des réacteurs qui vise à décrire le flux de neutrons dans le réacteur est composé de 3 parties : la distribution spatiale du flux de neutrons, le spectre en énergie des neutrons et la variation du flux de neutrons en régime transitoire. Le cours se focalise sur le cas des réacteurs à eau pressurisée mais l’intérêt des réacteurs à neutrons rapides (surgénérateurs) est discuté. Une ouverture sur le cycle du combustible et les nouveaux types de réacteurs nucléaires qui sont envisagés d’ici une vingtaine d’années est proposée à la fin du cours. 23 INTRODUCTION A LA PHYSIQUE DES PARTICULES 3 ECTS Enseignants : Stéphane PERRIES, Jacques MARTEAU Cours : 16 heures ; TD : 14 heures PHYSIQUE DES PARTICULES ELEMENTAIRES : VUE GENERALE 1) Notions sur la production, l’accélération et la détection des particules 2) Notation et cinématique relativiste 3) Classification des particules et des interactions SYMETRIES 1) Symétries, lois de conservation, groupe de symétrie 2) Invariance par rotation et translation 3) Symétries de saveur SU(2), SU(3) et modèle des quarks a. Symétrie SU(2) et isospin b. Symétrie SU(3) et modèle des quarks c. Construction des états de baryons et mésons légers d. Introduction de la couleur 4) Symétries discrètes 5) Parité 6) Non conservation de C et P dans les interactions faibles INTERACTIONS, COLLISIONS ET DESINTEGRATION DE PARTICULES 1) Notion de section efficace 2) Désintégration de particules : temps de vie, rapports de branchement 3) Interaction électromagnétique a. Description relativiste d’une particule de spin ½ : équation de Dirac libre b. Interaction d’un électron dans un champ électromagnétique 4) Interaction faible : interaction de Fermi et désintégrations faibles 5) Interaction forte 24 CLIMAT ET OBSERVATION SATELLITTE 3 ECTS Enseignants : Alain MIFFRE, Patrick RAIROUX Cours : 16 heures ; TD : 14 heures Le but de ce cours est de donner un enseignement sur l’application des connaissances de la formation initiale (mécanique, thermodynamique, mécanique quantique, optique ondulatoire) pour comprendre des phénomènes physiques de notre environnement (gaz à effet de serre, fonte des glaciers, tempêtes tropicales, niveau des océans). Cet enseignement apporte une ouverture sur les parcours des spécialités du master M2 de physique. Contenu du cours 1. Mécanique des orbites satellitaires Polaire, géostationnaire 2. Propriétés spectrales en réflexion et émission Terre, Mer et Atmosphère 3. Détection des grandeurs météorologiques Température, Humidité, Couverture nuageuse(Planck) 4. Détection des grandeurs climatiques : Niveau des océans, CO2. 5. Observation des extrêmes climatiques : Fontes des glaciers et tempêtes tropicales. 25 UTILISATION DE LA SYMETRIE EN PHYSIQUE 3 ECTS Enseignants : Denis MACHON, Patrick NEDELEC Cours : 16 heures ; TD : 14 heures L’objectif de ce cours est de montrer l’importance de la symétrie en physique comme un outil d’étude et de compréhension de problèmes physiques de natures très différentes allant de la physique de la matière condensée à la physique des particules. Au cours de cette UE, une attention particulière sera apportée à l’utilisation pratique de la symétrie dans des problèmes appliqués (interprétation des modes de vibrations observés par spectroscopie, par exemple) et des lois des interactions fondamentales. Le cours se déclinera comme suit : Après une introduction présentant le formalisme de base en traitant des exemples simples (groupe de rotation, symétries du « papier peint » à deux dimensions), une partie sera dédiée à l’utilisation des groupes ponctuels de symétrie pour la prédiction des propriétés physiques des matériaux, l’interprétation des spectres de vibrations et le traitement des transitions de phase dans un formalisme de Landau. Ensuite, une introduction aux groupes continus de Lie sera présentée avec des exemples de symétries globales et locales. Cette partie permettra de revoir l’électromagnétisme et les équations de Maxwell à la lumière de la symétrie locale de phase. On présentera ensuite le rôle des symétries en physique subatomique avec l’introduction de l’isospin dans le nucléon et dans les noyaux. L’utilisation des symétries SU(n) pour la classification des particules sera présentée ainsi qu’une introduction au modèle des quarks. Enfin, les symétries discrètes C (conjugaison de charge), P (parité) et T (inversion du temps) et leur utilisation en physique des particules sera développée. 26 INTRODUCTION A L’ETUDE DE LA MATIERE MOLLE 3 ECTS Enseignants : Stella RAMOS-CANUT, Charlotte RIVIERE, Christophe PIRAT Cours : 16 heures ; TD : 14 heures - Introduction : Etats de la matière ; Propriétés de la matière molle ; Systèmes étudiés et approches. - Contact entre phases : Equilibre entre phases ; Energies interfacialles ; Loi de Laplace ; Paramètre d’étalement ; Substrats réels et hystérésis de mouillage ; Formes simples d’interfaces; Aspects expérimentaux. - Interaction en physique de la matière molle : Liaisons physique et liaisons chimiques ; Interactions électrostatiques (ions, molécules polaires, molécules polarisables) ; interaction de van der Wallls. Liquides polaires et non polaires. - L’état colloïdal : Définition, classification et propriétés physico-chimiques des systèmes colloïdaux ; Exemples de systèmes colloïdaux (solutions de molécules amphiphiles, …) ; Systèmes moléculaires organisés : de l’agrégat micellaire aux cristaux liquides. Aspects expérimentaux. - Polymères : Généralités (structure polymérique, exemples, états physiques). Polymère en solution ; Polymères aux interfaces. Propriétés thermodynamiques et l’élasticité des polymères ; Applications 27 BIOPHYSIQUE 3 ECTS Enseignants : Hélène AYARI-DELANOE, Christophe YBERT Cours : 16 heures ; TD : 14 heures L'objectif de ce module est de présenter les concepts et les techniques expérimentales physiques permettant de décrire et de comprendre des phénomènes biologiques. Certains TDs consisteront en une analyse d’articles scientifiques. A. INTRODUCTION AUX OBJETS BIOLOGIQUES Les différentes échelles et assemblages biologiques : des atomes, molécules, cellules aux organismes. B. CONCEPTS PHYSIQUES AU SEIN DE LA MATIÈRE 1. Interactions moléculaires Interactions covalentes, électrostatiques, van der Waals, liaison hydrogène (hydrophobicité), ligand/récepteur ; Ecrantage des interactions entre molécules chargées en solution ionique (théorie DLVO) ; Pression osmotique ; 2. Hydrostatique et Phénomènes de surfaces en biologie Rappels sur la tension de surface ; loi de Jurin ; loi de Laplace 3. Systèmes auto-organisés Les molécules amphiphiles ; Principes de l’auto-association ; Vésicules ; Monocouches ; La membrane cellulaire ; 4. Les polymères et macromolécules Conformation statistique des polymères; ADN et protéines ; l’élasticité caoutchoutique 5. Dynamique des objets biologiques Rappels d’hydrodynamique ; Notions de mouvement Brownien et diffusion ; Echelles de temps et de vitesse en biologie ; Notions de visco-élasticité ; 6. Bilan des notions précédentes Quelques exemples où les différentes échelles d'énergie et de temps associés aux concepts précédents (visco-élasticité, tension de surface, écoulement, ...) entrent en compétition : propriétés du cytosquelette (actine, microtubules, ...); vésicules sous écoulements (transitions de formes, adhésion, ...), ... C. OUTILS PHYSIQUES POUR L'ÉTUDE DE LA MATIÈRE VIVANTE 1. Techniques de champ proche Description et utilisation des techniques : STM, AFM, SFA (machine de force de surface); 2. Techniques optiques Microscopie de fluorescence et marquage de molécules ; Technique de recouvrement de fluorescence (FRAP) ; montage confocal ; FCS ; Pinces optiques ; 3. Techniques de détermination de structures RMN ; rayons X ; Principes ; Exemple des protéines 28 CAPTEURS 3 ECTS Enseignants : Alain MERMET, Michel FARIZON Cours : 16 heures ; TD : 14 heures Connaissance du rôle des capteurs en milieu industriel ainsi que de leur intégration dans une chaîne de mesure Connaître les caractéristiques métrologiques d’un capteur Compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans des capteurs de température, de contrainte et de lumière ; ainsi que la maîtrise de leur mise en œuvre Généralités sur les capteurs Grandeurs physiques mesurables ; grandeurs extensives et intensives ; unités et étalons Capteurs et chaîne de mesure : les différentes étapes de la mesure Capteurs actifs et capteurs passifs Quelques exemples de capteurs et phénomènes physiques sur lesquels ils sont fondés : capteurs de déplacements, capteurs optiques (photodiode, capteurs d'image), capteurs piézoélectriques et piézorésistifs (jauges de contraintes, accéléromètres, capteurs de pressions) Caractéristiques métrologiques d’un capteur : précision, linéarité, sensibilité, rapidité, finesse Résistances thermométriques Echelle internationale de température ; points fixes et instruments légaux Résistances thermométriques. Résistivité des métaux. Résistances thermométriques métalliques (Matériaux utilisés. Relation résistance-température Structure du capteur). Conductivité des semiconducteurs. Thermistances Conditionnement : mesure de résistance. Montage potentiométrique. Montage en pont Influence des fils de liaison. Auto échauffement, influence du courant de mesure Température à mesurer et température mesurée. Ecart à l’équilibre. Constante de temps et temps de réponse. Réponse en régime dynamique. Jauges de contraintes Généralités. Rappel sur les grandeurs mécaniques. Structures des jauges. Facteur de jauge. Jauges métalliques et semi conductrices. Piézo résistivité des métaux; métaux couramment utilisés. Piézo résistivité des semi-conducteurs, facteurs de jauge. Caractéristiques principales : sensibilité, sensibilité transversale, influence de la température, fonctionnement en régime dynamique : fréquence maximale d’utilisation; fatigue. Méthodes de mesures : montage à jauge active et à jauge passive. Montage push-pull. Photodiode Effet photoélectrique Principe d’une photodiode Mode de fonctionnement photoconducteur et photo voltaïque Représentation électrique; régime dynamique Caractéristiques métrologiques : courant d’obscurité, sensibilité, détectivité 29 INTERACTION PARTICULES MATIERE 3 ECTS Enseignants : Etienne TESTA, Patrick NEDELEC Cours : 16 heures ; TD : 14 heures Contexte scientifique L'interaction des particules avec la matière intervient dans de nombreux domaines à la fois en recherche fondamentale (physique des particules, physique nucléaire, physique atomique...) et en recherche appliquée (physique médicale, physique des matériaux, techniques d'analyse de surface...) ainsi que dans le domaine de la radioprotection. Contenu de la formation Lorsqu'on parle de l'interaction des particules avec la matière, on fait référence à la cascade de processus élémentaires que subit une particule lors d'une traversée d'un milieu (solide, liquide ou gazeux). La première séance du cours a pour but de situer les différents types de processus en jeu en fonction de l'énergie des particules et d’effectuer quelques rappels sur les forces fondamentales et la relativité restreinte. La première partie du cours présente les interactions des différents types de particules (ions, e -/e+, rayons gamma, neutrons, neutrinos...) ainsi que leur modélisation qui est illustrée en TD par l'utilisation de Geant4 (code Monte Carlo open source) et de SRIM. Deux séances de TD sont consacrés à l'utilisation de ces outils. La deuxième partie de cours est consacrée à la physique des détecteurs de rayonnements ionisants (chambres à gaz, scintillateurs, semi-conducteurs...) et aux notions fondamentales de statistiques de détection. Enfin, une brève présentation des effet des rayonnements ionisants sur la matière biologique (notion de doses physique et biologique, notions de base de réponses cellulaires...) est proposée lors de la dernière séance. Eléments de bibliographie Détection de rayonnements et instrumentation nucléaire, Abdallah Lyoussi, EDP Sciences (2010) Radiation Detection And Measurement, Glenn F. Knoll, 4ème édition (2010) Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments: A How-To Approach, William R. Leo, Springer. Mode d’évaluation Contrôle continu sans document autorisé Contact [email protected] [email protected] 30 DESCRIPTION DES MODULES EN MASTER DE PHYSIQUE PARCOURS PHYSIQUE - CHIMIE 31 SPECTROSCOPIE MOLECULAIRE 6 ECTS Enseignant responsable : Jean-Marc LANCELIN Cours : 30 heures ; TD : 18 heures ; TP : 12 heures Les enseignements théoriques et dirigés seront répartis entre 4 parties essentielles : 1 - Spectroscopie dans l'infra-rouge et Raman (10 h éq. TD) Introduction aux spectroscopies vibrationnelles Principe des spectroscopies Infrarouge et Raman Symétrie moléculaire, Initiation à la théorie des groupes, Applications à quelques cas simples Attribution et interprétation des spectres infrarouges et Raman (Méthodologie) Description des spectromètres infrarouges et Raman (dispersif et a transformée de Fourier) Techniques d'échantillonnages Description des principes de la technique IRTF en réflexion (ATR, réflexion diffuse, réflexion spéculaire externe Exemple d'utilisation des spectroscopies infrarouge et Raman (cas industriels) Cas particuliers : microscopie infrarouge et Raman, spectroscopie proche infrarouge. 2 - Spectroscopie UV- visible (10h eq. TD) Introduction et principes Spectres d'absorption et d'émission dans le domaines visible et ultra-violet Fluorescence et phosphorescence Aspect instrumentaux et de sensibilité Molécules asymétrique biréfringence circulaire : activité optique rotatoire Activité dichroïque : dichroïsme circulaire et dispersion optique rotatoire Applications à l'étude qualitatives et quantitatives pour l'étude des propriétés moléculaires, configuration et conformation. 3 – Spectrométrie de Masse (15 h eq. TD) Introduction à la spectrométrie de masse Techniques d'ionisations moléculaires : EI, CI, LSIMS, FAB, ESI, APCI, MALDI Techniques instrumentales spécifiques à la spectroscopie de masse moléculaire : Analyseurs (magnéto-électrostatiques, quadripolaires, trappes ioniques, TOF, ICR) MS/MS et MSn. Sensibilité, résolution, limite de détection Interprétation spectrales, fragmentations moléculaires, Applications de la spectroscopie de masse à l'analyse moléculaire, la détection de trace, la composition isotopique. Couplage GC/MS et LC/MS Analyse quantitative en spectrométrie de masse. 4 – Spectroscopies RMN et RPE (25 eq. TD) Applications générales de la spectroscopie de résonance de spins : de l'imagerie à l'analyse moléculaire à résolution atomique Le magnétisme nucléaire et électronique Interaction Zeeman et résonance magnétique : éléments de formalismes La spectroscopie RMN et RPE impulsionnelle à transformée de Fourier, observables RMN et RPE Anisotropie de déplacement chimique Couplage spin-spin : interaction dipole-dipole, spectres larges bandes dans les solides, haute résolution dans les liquide et les gazs Aspects instrumentaux : Aimants, sondes, techniques RMN HR-MAS, RMN multi-canaux, échantillons Méthodologie d'attribution spectrales, spectroscopie de corrélation multi-dimensionnelle homo et hétéronucléaire 32 Interprétation en terme structuraux, conformationelles et de diffusion Applications spécifiques de la RMN et la RPE : analyses quantitatives , analyses de mélanges (spectroscopie DOSY), analyses isotopiques, limites de sensibilité. 33 Synthèse organique - Réactivité des composés carbonylés 3 ECTS Enseignant responsable : Olivier PIVA Cours : 21 heures ; TD : 15 heures ; TP : 20 heures I - Groupements protecteurs : Alcools Diols Amines Composés carbonylés Méthodes récentes d'estérification II - Les composés carbonylés Dualité Additions nucléophiles ou déprotonation - Rappels sur l'acidité des composés carbonyles Echelle d'acidité en chimie organique (rappels) - Rappels sur l'addition nucléophile sur les composés carbonylés : modèle de Felkin, Cram chélate - Rappels sur l'addition des allylmétaux sur les composés carbonylés o Modèles cycliques o Modèles ouverts III - Chimie des énolates III-1 Formation des énolates - régiosélectivité - stéréosélectivité E/Z III-2 Création de liaisons C-C - alpha-alkylation - Alkylations diastéréosélectives o Réaction des oxazolidines III-3 Formation de liaisons C-X - alpha -halogénation - formation de liaisons C-O - formation de liaisons C-N III-4 Réactivité alpha et gamma des beta-cétoesters III-5 Aldolisations - stéréosélectivité (énolates E -> anti / énolates Z -> syn) - -substituésréactivité d'énolates sur des composés carbonylés IV - Chimie des énamines et des hydrazones : IV-1 Alkylation - Version diastéréosélective (SAMP) IV-2 Aldolisation et organocatalyse (introduction) IV-3 Réactivité des tosylhydrazones : Réaction de Shapiro V- Condensations et réarrangements V-1 Condensations de Claisen et apparentées V-2 Annélation de Robinson V-3 Réarrangements de Carroll V-4 Réactions en cascade et multicomposante : séquence Mardi et réaction de Ugi 34 MULTI-EQUILIBRES DANS LES SYSTEMES CHIMIQUES 6 ECTS Enseignant responsable : Jean-Bernard TOMMASINO Cours : 10,5 heures ; TD : 15 heures ; TP : 45 heures Equilibres multiples : 1. Acide-base 2. Solubilité 3. Rédox 4. partage dans les systèmes chimiques Présentation d'un exposé sur un thème tiré au hasard dans une liste. 35 PHYSIQUE MICROSCOPIQUE 6 ECTS Enseignants : Dany DAVESNE Camille Ducoin - Le comportement quantique : Mécanique à l'échelle des atomes - Comportement ondulatoire de faisceaux de particules et comportement corpusculaire de la lumière Onde associée à une particule, fonction d'onde, interprétation en terme de probabilité de présence - Principe d'incertitude de Heisenberg - Lien entre les descriptions ondulatoire et corpusculaire : Mesure de la position et de la quantité de mouvement - Retour sur le principe d'incertitude - Quelques conséquences sur des objets ou des phénomènes à l'échelle atomique. - Deux applications : Particule dans un puits de potentiel à une dimension, niveaux d'énergie - Franchissement d'une barrière de potentiel, effet tunnel. - Théorie cinétique des gaz : Les hypothèses microscopiques du gaz parfait Eléments de statistiques, valeurs moyennes - Interprétation moléculaire de la pression - Température et énergie cinétique de translation - Equation d'état du gaz parfait. - Les principes de la mécanique statistique : Atmosphère isotherme dans un champ de pesanteur - Loi de Boltzmann - Loi de distribution des vitesses moléculaires d'un gaz - Equipartition de l'énergie - Les chaleurs spécifiques des gaz. - Quelques applications de la théorie cinétique : Evaporation - Emission thermoïonique - Cinétique chimique 36 LANGUES 3 ECTS Responsable : Service Central d’Enseignement des Langues de l’UCBL Correspondant : Valérie JAMES Les étudiants du Master désireux de se perfectionner dans une langue étrangère ont accès aux formations proposées par le S.C.E.L. de l’UCBL. Cet enseignement est optionnel mais les étudiants qui y participent et qui obtiennent une note correspondant à un contrôle des connaissances réglementaire pourront valider cette participation par 3 crédits ETCS. MISE A NIVEAU EN LANGUE FRANCAISE 2 + 3 + 3 ECTS Responsable : Service Central d’Enseignement des Langues de l’UCBL Correspondants : Solange GOY Les étudiants non francophones admis dans le Master « label international » sont intégrés dans un enseignement spécialisé d’apprentissage de la langue française. Cet enseignement est obligatoire, il est validé par un total de 8 ETCS se répartissant sur trois UE. Un stage intensif de français langue étrangère est proposé sur une semaine entière, avant le début des cours. Cette formation se poursuit ensuite sur le premier semestre, avec une demi-journée par semaine de français et la possibilité de T.A.C. (Travail en Autonomie au Cargo) dans une salle spécialisée de langue mise à disposition par le S.C.E.L. (Service Central d'Enseignement des Langues) de l'UCBL. Au second semestre, un enseignement de FLE spécifique au master international permet de conforter les acquis en langue française 37