1ère partie Du macroscopique au microscopique 1 – Eléments de base Les constituants de l'atome Nombre d'Avogadro et unités de masse atomique • masse atomique • mole et masse molaire Ondes et particules en physique classique • Concept de corpuscule matériel • Concept d'onde et de champ • Cas du rayonnement électromagnétique 2 – Concepts quantiques Ondes et particules à l'échelle atomique • Expériences mettant en échec la conception classique : • Effet photoélectrique • Expérience de Thomson : diffraction des électrons • Concept quantique Interaction rayonnement-matière et bases de l'analyse spectrométrique du rayonnement • Spectres continus et spectres de raies • Spectres d'absorption et spectres d'émission 1 1 – ELEMENTS DE BASE Les constituants de l'atome Une conception corpusculaire de la matière apparaît en Grèce, au 5ème siècle avant JC : Les "atomes", petites particules indivisibles, en perpétuel mouvement, peuvent s'assembler pour former la matière que nous percevons. Ce n'était alors qu'une spéculation intellectuelle... L'hypothèse n'a été étayée scientifiquement qu'à partir du 19ème siècle, à la suite de nombreux travaux d'analyse chimique : • Lois de combinaisons des éléments (Lavoisier, Proust,...) • Postulats de la théorie de Dalton impliquant l'existence de l'atome, "unité de matière", caractéristique d'un élément chimique. Cette conception s'est imposée dès le début du 20ème siècle, avec le développement : • de nombreuses et puissantes techniques expérimentales. • des modèles théoriques de la physique atomique et de la physique quantique permettant d'expliquer les résultats expérimentaux. L'atome, électriquement neutre, est constitué d'un noyau de charge positive autour duquel évolue un ensemble d'électrons porteurs d'une charge négative. Entre noyau et électrons : forces coulombiennes attractives. Entre les électrons : forces coulombiennes répulsives. Le noyau lui-même est un assemblage de protons (charges positives) et de neutrons. Les charges électriques du proton et de l'électron, de signes opposés, ont la même valeur absolue, dite charge élémentaire e. 2 noyau masse m p = 1,6726 ⋅ 10 − 27 kg charge e = 1,6022 ⋅ 10 −19 C masse mn = 1,6749 ⋅ 10 − 27 kg Z protons charge +Ze N neutrons 0 charge Z électrons de charge -e masse me = 9,1096 ⋅ 10 − 31 kg charge − e = −1,6022 ⋅ 10 −19 C Les particules constitutives du noyau, protons et neutrons, de masses voisines, sont les nucléons. La masse de l'atome est essentiellement due au noyau. mélectron mnucléon ≈ 1 1837 Dimensions : -10 • "rayon" de l'atome : de l'ordre de 10 m -15 • "rayon" du noyau : de l'ordre de 10 m Le nombre de protons Z est le numéro atomique, définissant l'élément chimique. Exemples La classification périodique comporte 103 éléments classés dans l'ordre des valeurs croissantes de Z. Z 1 6 14 30 élément hydrogène carbone silicium zinc symbole H C Si Zn 3 Le nombre total de nucléons est le nombre de masse A. Le couple (Z, A) définit donc totalement un atome ou nucléïde. Il existe environ 300 nucléïdes. Pour un élément donné, le nombre de neutrons (A-Z) permet de différencier les isotopes de cet élément. Notations : nombre de masse → X symbole chimique → numéro atomique → ← réservé A aux notations ← chimiques Z Exemple : les 3 isotopes stables de l'oxygène 16 O 8 8 protons 8 neutrons 17 O 8 8 protons 9 neutrons 18 O 8 8 protons 10 neutrons Les molécules sont des assemblages d'atomes liés entre eux par liaisons chimiques. Exemples de notation O2 H 2O CH 4 CuSO 4 Les ions (atomiques ou moléculaires), sont des entités électriquement chargées, ayant perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. H+ Exemples de notation − 2+ OH Cu SO 24 − C'est l'ensemble des électrons de l'atome (le cortège électronique) qui est essentiellement responsable des propriétés de l'élément, et plus largement des propriétés de la matière : • propriétés physiques (électroniques, optiques, thermiques,…) • propriétés chimiques. 4 Nombre d'Avogadro et unités de masse atomique Deux échelles d'observation de la matière macroscopique atomique Dimensions perceptibles par l'homme Echelle des "corpuscules" individuels atomes, molécules, ions,... "peut se voir à l'oeil nu"... Dimensions atomiques ≈ 10 -10 m Quantités de matière > µg Masse des atomes ≈ 10 -27 kg à 10 −25 kg Une quantité macroscopique de matière contient un très grand nombre de corpuscules Quelle est la quantité macroscopique de matière contenant un nombre donné d'entités individuelles ? nombre d'Avogadro NA Ensemble de corpuscules ou d'entités. Notion de mole. corpuscules ou entités individuels. Le nombre d'Avogadro NA résulte du choix d'une référence : ce n'est pas une "constante universelle"... Par convention NA est le nombre d'atomes de l'isotope (carbone 12) contenu dans une masse de 12 g de cet isotope. 12C NA est ainsi défini dans l'échelle du carbone 12. NA atomes de 12C masse = 12,000000 g 5 Conséquence à l'échelle macroscopique : notion de mole Une mole est la quantité de matière d'un système qui contient autant d'entités individuelles qu'il y a d'atomes dans 12 g de 12C. Les entités peuvent être des atomes, des molécules, des ions, des électrons... une mole d'atomes : NA atomes une mole de molécules : NA molécules une mole d'ions : NA ions NA est le nombre d'entités dans 1 mole de ces entités NA = 6,022137.1023 mol-1 La masse molaire est la masse d'une mole d'un certain type d'entité. Elle est exprimée, en général, en g/mol. NA ⋅ m = masse d'une entité masse M masse molaire masse La masse molaire est la masse relative d'une mole d'une espèce chimique par rapport à la masse d'une mole de 12C, sur la base de 1 mole de 12C = 12 g. Exemples - masse d'une mole de protons : Mp = 1,007276 g/mol - masse d'une mole de neutrons : Mn = 1,008665 g/mol - masse d'une mole de 14N : M = 14,00307 g/mol - masse d'une mole de 27Al : M = 26,98154 g/mol Conséquence à l'échelle atomique L'unité de masse atomique (uma) est définie comme le 1/12 de la masse d'un atome de carbone 12. 6 1 uma = m(12 C) 12 N A ⋅ m(12 C) = 12,000000 g Or, on a défini : d'où : 1 uma = 1 NA g= 10 −3 NA kg = 1,660540 ⋅ 10 − 27 kg La masse atomique d'un élément, exprimée en uma, est la masse relative d'un atome par rapport à celle de 12C, sur la base de m(12C) = 12 uma. Exemples - masse du proton : mp = 1,6726 x 10-27 kg = 1,007276 uma - masse du neutron : mn = 1,6749 x 10-27 kg = 1,008665 uma - masse de l'isotope 14N : m = 14,00307 uma - masse de l'isotope 27Al : m = 26,98154 uma La masse atomique en uma, s'exprime donc par la même valeur numérique que la masse molaire en g/mol. Ne pas confondre le nombre de masse A et la masse atomique (ou molaire). 14N 27Al A = 14 A = 27 M = 14,0031 uma M = 26,9815 uma Ce résultat n'est pas étonnant puisque la définition de l'uma, implique que la masse d'un nucléon est très voisine de 1 uma... 7 Ondes et particules en physique classique La compréhension d'un système en physique "classique" repose sur 2 concepts fondamentaux élaborés à partir de l'observation et de l'interprétation des phénomènes, à l'échelle macroscopique. onde et champ corpuscule matériel CONCEPT DE CORPUSCULE OU "PARTICULE" A chaque particule est associée une masse. Chaque particule occupe une portion finie de l'espace (volume). A chaque instant, la position de la particule est repérable dans un système de coordonnées spatiales. Au cours du temps, la particule décrit dans l'espace une trajectoire représentant le déroulement de son "histoire". Deux particules ne peuvent se trouver simultanément en un même point de l'espace. Collision et modification des mouvements, avec conservation globale de grandeurs physiques fondamentales telles que, l'énergie, la quantité de mouvement,... Les phénomènes dynamiques (mouvements) s'expliquent par la notion d'interactions (actions réciproques) entre les particules. Les interactions traduisent l'existence de forces liées à des propriétés intrinsèques particulières. La notion de "champ" intervient alors comme support des interactions à distance entre corpuscules. Caractéristique intrinsèque • charge électrique • moment magnétique Force • électrostatique • magnétique Champ • électrique • magnétique 8 CONCEPT D'ONDE ET DE CHAMP L'onde traduit l'évolution temporelle d'une grandeur physique qui se propage avec une certaine vitesse dans un milieu matériel ou dans le vide. L'onde (ou le champ) non localisée dans l'espace, est caractérisée par son amplitude A(r, t) définie à chaque instant t, en chaque point r. Exemple : onde harmonique (sinusoïdale) se propageant à la vitesse v. En un point de l'espace : évolution temporelle. A(t) t T période T fréquence ν= 1 T A un instant t : évolution spatiale. A(r) r λ longueur d' onde λ = v ⋅T = v ν 9 A la différence des particules, les champs et les ondes obéissent au principe de superposition : La superposition dans la même région de l'espace, de deux ondes d'amplitudes A1 et A2 résulte en une onde unique dont l'amplitude est la somme algébrique A = A1 + A2 On ne peut pas individualiser physiquement chacune des deux ondes... A1, A2 A Conséquences : - phénomènes d'interférences - phénomènes de diffraction. Cas du champ et du rayonnement électromagnétique Les grandeurs physiques qui le caractérisent sont les deux vecteurs champ électrique E(r,t) et champ magnétique B(r,t). Le rayonnement est une superposition d'ondes harmoniques se propageant dans l'espace à la vitesse de la lumière c = 3.108 m.s-1 10 Une onde monochromatique est caractérisée par : sa fréquence ν , et donc par sa longueur d'onde λ = ou par son nombre d'onde ν= c ν 1 ν = λ c Le spectre en longueurs d'onde (ou en fréquences) du rayonnement électromagnétique s'étend sur un grand nombre d'ordres de grandeurs, depuis les ondes radio jusqu'aux rayons γ. Les domaines du spectre électromagnétique visible 700 à 400 nm Longueur d’onde (m) 1 ondes radio 3.108 10- 3 microondes 10- 6 infrarouge 3.1011 3.1014 10- 9 ultraviolet 10-12 10-15 rayons rayons X 3.1017 3.1020 γ 3.1023 Fréquence (Hz) 11