Du macroscopique au microscopique

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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

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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.

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masse kg106726,1 27
−
⋅=
p
m
Z protons
charge C106022,1 19
−
⋅=e
masse kg106749,1 27
−
⋅=
n
m
noyau
charge
+Ze
N neutrons
charge 0
masse kg101096,9 31
−
⋅=
e
m
Z électrons
de charge -e charge C106022,1 19
−
⋅−=− e
 Les particules constitutives du noyau, protons et neutrons, de
masses voisines, sont les nucléons.
 La masse de l'atome est essentiellement due au noyau.
nucléon
électron
m
m
≈
1837
1
 Dimensions :
• "rayon" de l'atome : de l'ordre de 10-10 m
• "rayon" du noyau : de l'ordre de 10-15 m
 Le nombre de protons Z est le numéro atomique, définissant
l'élément chimique.
Exemples
Z élément symbole
1 hydrogène H
6 carbone C
14 silicium Si
30 zinc Zn
La classification périodique
comporte 103 éléments
classés dans l'ordre des
valeurs croissantes de Z.

4
 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 →
→→
→ A ←
←←
← réservé
symbole chimique →
→→
→
X
aux notations
numéro atomique →
→→
→ Z ←
←←
← chimiques
Exemple : les 3 isotopes stables de l'oxygène
O
16
8
O
17
8
O
18
8
8 protons
8 neutrons
8 protons
9 neutrons
8 protons
10 neutrons
 Les molécules sont des assemblages d'atomes liés entre eux
par liaisons chimiques.
Exemples de notation
4
4
2
2
CuSOCHOHO
 Les ions (atomiques ou moléculaires), sont des entités
électriquement chargées, ayant perdu ou gagné un ou plusieurs
électrons.
Exemples de notation
−
+
−
+
2
4
2SOCuOHH
 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.

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Nombre d'Avogadro
et unités de masse atomique
Deux échelles d'observation de la matière
macroscopique atomique
Dimensions
perceptibles par l'homme
"peut se voir à l'oeil nu"...
Quantités de matière > µg
Echelle des
"corpuscules" individuels
atomes, molécules, ions,...
Dimensions atomiques
≈10 m
-10
Masse des atomes
≈
−
10 kg à 10 kg
-27 25
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 12C
(carbone 12) contenu dans une masse de 12 g de cet isotope.
NA est ainsi défini dans l'échelle du carbone 12.
NA atomes de 12C masse = 12,000000 g