1 Quantification de l`énergie d`un atome ou d`une molécule

1 Quantificationdel’´
energied’unatomeoud’unemol´
ecule
1. ´
Energie ´
electronique:`
A part les syst`
emes hydrog´
eno¨
ıdes, il n’y a pas de loi de
quantification simple et g´
en´
erale. Proc´
eder au cas par cas.
Ordre de grandeur de l’´
energie ´
electronique:
E1eV
2. ´
Energie vibrationnelle:
Mol´
ecule diatomique:
vib
v= (v+1
2)vib,vN,gv= 1
νvib =fr´
equence de vibration, h= 6,6262 ×1034J·s=constante de
Planck.
Mol´
ecule polyatomique:
nombre de modes normaux de vibration =3N5mol. lin´
eaire
3N6mol. non lin´
eaire
Pour le i-`
eme mode:
vib
vi= (vi+1
2)i,viN,gvi= 1
´
Energie de vibration totale
vib
v1,v2,... =X
i
(vi+1
2)i,viN
´
Energies d’excitation typiques:
vib
v0,1eV
3. niveaux d’´
energie rotationnelle:
rotateurs sph´
eriques, IX=IY=IZ:
rot
J=J(J+ 1)h2
8π2I,gJ= (2J+ 1)2,JN,
mol´
ecules lin´
eaires, IX=IY= 0, IZ=I:
rot
J=J(J+ 1)h2
8π2I,gJ= 2J+ 1,JN,
1
rotateurs sym´
etriques, IX=IY6=IZ(IX=IY6= 0):
rot
J,K =J(J+ 1)h2
8π2IX
+1
IX1
IZK2h2
8π2,gJ= 2J+ 1,
JN,K=J, ..., +J.
´
Energies d’excitation typiques:
rot
J(J,K)0,01eV
4. ´
Energie translationnelle:
1 D
Quantifi´
ee:
tr
nx=n2
xh2
8mL2,nxN
Non-quantifi´
ee
tr
vx=1
2mvx2, vx[−∞,+]
3 D
Quantifi´
ee:
tr
n=(n2
x+n2
y+n2
z)h2
8mV 2/3,nx, ny, nzN
Non-quantifi´
ee
tr
~v =1
2m(vx2+vy2+vz2),vx, vy, vz[−∞,+]
2 Distribution de Maxwell-Boltzmann
distribution de Maxwell-Boltzmann
Spectre d’´
energie discret
P(i, T ) = ni
N0
=gieβi
Pkgkeβk(1)
β= 1/kBT,kB= 1,38066 ×1023J·K1=constante de Boltzmann.
Spectre d’´
energie continu
f(, T ) = ρ()eβ
Rd0ρ(0)eβ0
ρ() = densit´
e d’´
etats d’´
energie .
2
Mouvements compos´
es mais s´
eparables
Additivit´
e de l’´
energie de mouvement:
ki,kj=ki+kj,
gki,kj=gkigkj
implique
P(ki,kj, T ) = P(ki, T )·P(kj, T )
Fonction de r´
epartition
Q(β) = Q(T) = X
k
gkeβk(2)
3´
Energie moyenne et capacit´
e calorifique CV
´
Energie moyenne
E=N0
dln Q
=RT 2dln Q
dT (3)
Capacit´
e calorifique `
a volume constant
Cv(T) = dE
dT (4)
1.Mouvements ´
electroniques: Proc´
eder au cas par cas. Deux cas particuliers:
Un seul ´
etat ´
electronique
Qel(β) = g0e0β
Eel(T) = N00
Cel
v= 0
Syst`
eme `
a 2 niveaux:0= 0, g0, 1= ∆, g1, (Tel = ∆/kB=temp´
erature
´
electronique):
Qel(β) = g0+g1eβ
3
Eel(T) = N0
g1
g0eβ+g1(5)
Cel
v(T) = Rg0g1(β)2eβ
(g0eβ+g1)2(6)
2.Vibrations: Pour un mode de fr´
equence νi
Qνi(β) = eiβ/2
1eiβ(7)
Eνi(T) = N0i
2+i
ei/(kBT)1(8)
Cνi
v(T) = Ri
kBT2e
i
kBT
(e
i
kBT1)2
(9)
Temp´
erature vibrationnelle:
Tνi=i
kB
Limites
basse temp´
erature TTνi
lim
T0Eνi=N0
i
2
et
lim
T0Cνi
v= 0
`
a temp´
erature ´
elev´
ee TTνi
lim
T→∞
Eνi=RT
et
lim
T→∞
Cνi
v=R.
Ceci est la limite o`
u le th´
eor`
eme d’´
equipartition d’´
energie est valide.
3.Rotations
Qrot(β)β1mol. lin´
eaire
β3/2mol. non lin´
eaire (10)
Erot(T) = RT mol. lin´
eaire
3
2RT mol. non lin´
eaire (11)
4
Crot
v(T) = Rmol. lin´
eaire
3
2Rmol. non lin´
eaire (12)
4. Translations
1D
Qtr(β) = V1/3Z+
−∞
dvxemv2
xβ=V1/32π
1/2(13)
Etr(T) = RT
2(14)
Ctr
v(T) = R
2(15)
3D
Qtr(β) = V2π
3/2(16)
Etr(T) = 3RT
2(17)
Ctr
v(T) = 3R
2(18)
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