révision de PHYSIQUE ATOMIQUE ET ELECTRONIQUE

révision de PHYSIQUE ATOMIQUE ET ELECTRONIQUE - p 1/15 - 23/02/00
révision de
PHYSIQUE ATOMIQUE ET
ELECTRONIQUE
par Pierre Cornélis, ON7PC rue J. Ballings, 88 1140 Bruxelles
1. Introduction
La physique est la science qui à pour objet l’étude des propriétés générales des corps et des lois qui tendent
à modifier leur état ou leur mouvement sans modifier leur nature. L’électricité et l’électronique sont deux
branches de la physique.
L'électron, particule élémentaire d'électricité négative, est le constituant de tous les atomes. Le courant
électrique est une déplacement d'électrons. L'électronique utilise les phénomènes de conductions dans le
vide, dans les gaz et dans les semi-conducteurs.
C'est pourquoi les notions de physiques moléculaire et électronique sont si importantes pour les
radioamateurs.
Bien que le titre de ce chapitre soit un peu prétentieux, nous n'avons certainement pas l'ambition de vouloir
plonger dans les détails des théories très complexes de la physique atomique et électronique, mais nous
sommes convaincu qu’il est intéressant de dissocier cette théorie de la matière générale de l'examen de
radioamateur et d’aller un peu plus loin que la simple introduction que l’on fait habituellement en commençant
les cours d’électricité ou d’électronique pour radioamateur
2. Notion de molécule
2.1. La matière n'est pas divisible à l'infini.
Une molécule d'un corps pur est la plus petite quantité de ce corps susceptible d'exister à l'état libre.
2.2. Le nombre d'Avogadro est le nombre de molécules contenues dans une môle
Une môle est la quantité représenté par une formule chimique. La masse correspondante est appelée
masse molaire. Par exemple la masse molaire du CO2 vaut 12 (2 x 16) = 44 g. Les moles des différents
corps purs contiennent toutes le même nombre N de molécules. Ce nombre N est appelé nombre d'Avogadro
et vaut N = 6,02 1023 molécules. Dés lors la masse moléculaire du CO2 vaut 44 / 6,02 1023 = 7,3 10-23 g .
2.1.3. Les molécules sont formés d'atomes
L'atome est la plus petite partie d'un corps simple susceptible d'entrer dans les combinaisons chimiques. Un
atome gramme contient 6,02 1023 atomes.
2.1.4. La température traduit l'énergie mécanique des atomes ou des molécules.

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3. Théorie cinétique des gaz
Cette théorie fournit des résultats très importants qui sont exploités dans les tubes électroniques à vide :
3.1. Le chaos moléculaire
Les gaz sont beaucoup plus compressibles que les solides et les liquides, et leur masses spécifiques sont
également beaucoup plus faibles. Il faut donc admette que les molécules des gaz sont beaucoup plus
éloignées entre elles que les molécules des solides et de liquides. Le mélange de deux gaz, la diffusion
d'un gaz à travers une paroi poreuse, l'existence sur les parois d'un récipient d'une poussée que l'on ne peut
attribuer à la pesanteur, ne peuvent s'expliquer que par des mouvements de translation et l'énergie cinétique
des molécules. Les molécules d'un gaz sont animées de mouvements incessants (agitation thermique)
et n'ont d'action entre elles qu'au moment de leur chocs. Chaque molécule se déplace en ligne droite
jusqu'au choc suivant; sa trajectoire est une ligne brisée. Cet état de désordre d'un gaz est appelé chaos
moléculaire. La pression p exercée sur la paroi d'un récipient est proportionnelle au nombre de chocs par
unité d'aire et de temps, c'est-à-dire au nombre n de molécules par volume. En diminuant le volume du gaz,
on augmente n et la pression doit augmenter : on retrouve ici la loi de Mariotte ("pv = constante").
3.2. L'énergie cinétique moyenne d'une molécule
Cette énergie cinétique est proportionnelle à la température absolue du gaz. L'énergie cinétique
moyenne vaut 1/2 m v² où v représente la vitesse quadratique moyenne c'est-à-dire v² = Σ v
i2 / n . On peut
démontrer que cette énergie cinétique moyenne vaut aussi 3/2 k T où k est la constante de Boltzmann et vaut
1,38 10-23 joule/degré et où T est la température absolue (en degré Kelvin). Comme cette énergie cinétique
est la même pour tous les gaz, on en déduit que les vitesses quadratiques moyennes sont inversement
proportionnelles à la racine carrée de la masse moléculaire.
Le libre parcours moyen est la distance parcourue en moyenne par une molécule entre deux chocs
successifs contre d'autres molécules. Le libre parcours moyen vaut l = 1 / ( √ 2 π n d²), il est donc
inversement proportionnel à la pression des gaz et au carré du diamètre de la molécule. Exemple : Soit de
l'argon à 0°C et sous une pression de 1mm Hg , le diamètre moléculaire du Hg est de 3,6 108 cm , 22400 cm³
de gaz renferment 6,02 1023 molécules de gaz fonc à 0°C n = 6,02 1023 / 22400 x 760 = 3,54 1016 molécules
par cm³ d'où l = 1 / ( √ 2 π n d²) = 1 / √ 2 π (3,54 1016) (3,6 10-8)² = 0,0048 cm = 48 µ

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4. L'électron
Ce n'est qu'au 18ème siècle que les phénomènes magnétiques et électrostatiques connus depuis l'antiquité
ont fait l'objet de grandes découvertes . Notons au passage quelques dates importantes:
• distinction de l'électricité positive et négative (1730)
• lois de Coulomb sur les attractions et les répulsions des charges électriques (1780)
Ce n'est qu'au 19ème siècle que s'édifie l'œuvre fondamentale avec :
• la découverte de la pile par Volta en 1800, et l'étude du courant électrique,
• la découverte du champ magnétique produit par le courant par Oersted en 1819
• l'édification de l'électromagnétisme par Ampère en 1820
• la découverte de l'induction magnétique par Faraday en 1831
• la loi d'Ohm en 1826
• les lois de l'électrolyse par Faraday en 1833
• la loi de Joule en 1841
Plus tard au cours de la seconde moitié du 19ème siècle :
• Maxwell édifie une théories générale des phénomènes électromagnétiques (ce sont les équations de
Maxwell en 1865),
• Helmoltz explique (1881) les phénomènes de l'électrolyse par des structure discontinue de l'électricité,
• On réussit à extraire les électrons de la matière (rayons cathodiques et émission photoélectronique)
• On découvre les ondes hertzienne (1890), puis les rayons X (1895) et la radioactivité (1896)
Au cours de 20ème siècle on fait une grande synthèse (Einstein) .
4.1. Les lois de l'électrolyse impliquent la structure discontinue de l'électricité
D'après Faraday, la quantité d'électricité qui traverse un électrolyte et la masse du métal déposé sont
proportionnelles. Helmoltz (1881) explique cela en disant que chaque atome du métal apporte à la cathode
une charge électrique bien déterminée. La théorie des ions d'Arrhénius (1887) explique ce résultat par le fait
que la charge d'un ion est un multiple entier d'une charge élémentaire. L'électricité a donc une structure
discontinue. Le "grain d'électricité" est nommé électron par l'irlandais Stoney.
4.2. Les rayons cathodiques sont formés d'électrons lancés à grande vitessse
Si l'on applique une tension élevée à deux électrodes placées dans un gaz "suffisamment raréfié", la cathode
émet un rayonnement qui se propage en ligne droite, et excite la fluorescence de certaines substances et qui
échauffe les corps rencontrés (ce sont les expériences de Hittorf 1868, Goldstein et Crookes 1879).
C'est l'expérience du tube de Crookes qui va permettre de donner une explication : Les rayons cathodiques
d'un tube de Crookes :
• chargent négativement un cylindre de Faraday, mais n'y déposent aucune matière,
• ils sont attirés par les corps chargés positivement et repoussés par les corps chargés négativement; ils
sont donc déviés par le champ électrique,
• les rayons cathodiques sont déviés par un champ magnétique comme le serait un courant ayant la même
direction, mais en sens inverse,
• les rayons cathodiques se propagent à la vitesse de quelques dizaines de milliers de kilomètres par
seconde (J.J. Thomson 1897)
Ces propriétés s'expliquent en admettant que les rayons cathodiques sont formés de grains d'électricité
négative sans support matériel.
4.3. Millikan mesure avec précision la charge de l'électron (1909)
Millikan a fait l'expérience suivante : il suivait, à l'aide d'un microscope, le mouvement d'une petite gouttelette
d'huile, obtenue par pulvérisation, entre les plateaux d'un condensateur. En l'absence de tension U, la vitesse
de chute permet de connaître le poids p de la gouttelette. Dés qu'on charge la gouttelette d'une quantité

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d'électricité q, il apparaît une force f = q E où E est le champ électrique et vaut E = U/d. Suivant la valeur de
U, la gouttelette descend ou monte, ou reste immobile. Lorsque la gouttelette est équilibrée p = q E. Partant
du fait que toutes les charges ainsi déterminées sont des multiples entiers de la plus petite d'entre elle,
Millikan eu l'idée de faire un relevé précis sur des milliers de gouttelettes d'huile, puis de chercher la valeur
de la charge de l'électron, il obtint ainsi e= 1,602 10-19 coulomb .
Les mesures de Millikan constituent les meilleures déterminations du nombre d'Avogadro. En effet 96490
coulombs représentent la charge d'une valence-gramme d'un métal, c-à-d de N ions monovalents ou encore
de N électrons, par conséquent N = 96490/1,602 10-19 = 6,0223 molécules par mole.
4.4. L'électron est un constituant universel de la matière
Dans les tubes cathodiques, des cathodes faites de différents métaux émettent des rayons cathodiques
identiques. D'autres phénomènes tels que l'émission thermoélectronique, l'émission photoélectrique, la
radioactivité β … correspondent aussi à l'émission d'électrons par les divers éléments, même électriquement
neutres : les électrons entrent donc dans la constitution de tous les atomes; on dit encore que l'électron est
un des constituants universels de la matière.

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5. Constitution des atomes
5.1. Un atome n'est pas une "bille pleine" …
Dans un solide, les atomes ne laissent pas entre eux d'intervalles, comme dans les gaz; pourtant, les rayons
α des corps radioactifs traversent les plaques métalliques minces. Ces rayons α sont constitués de particules
chargées positivement et de même masse que l'atome d'hélium (Rutherford 1902). L'expérience nous oblige
à admettre que les rayons α traversent les atomes : un atome n'est donc pas rempli de matière.
5.2. L'atome referme des charges électriques positives
Nous avons vu que tous les atomes renferment des électrons ; la charge électrique totale d'un atoime étant
nulle, il faut donc que les charges négatives des électrons soient compensées par des charges positives. Il
doit donc exister au centre de l'atome une charge positive (Rutherford 1911).
5.3. Dans un atome il y a deux régions : le noyau et un nuage d'électrons
Chaque atome est constitué par un noyau central et Z électrons. Ce nombre Z est appelé nombre atomique.
Le noyau
• porte une charge positive Ze de sorte que l'atome est électriquement neutre;
• représente la quasi totalité de la masse de l'atome; la masse de l'atome augmente avec le nombre
atomique. ce phénomène traduit l'accroissement du nombre de particules (protons et neutrons) qui
constituent les noyaux ;
• n'occupe qu'un volume négligeable par rapport au volume total de l'atome. Le noyau est donc
extrêmement dense
• est responsable des phénomène de radioactivité; les rayonnements émis par les corps radioactifs
transportent de l'énergie libérée lors de la réorganisation interne explosive des noyaux qui expulsent suivant
leur nature,
• des noyaux d'hélium (rayonnement α );
• des électrons (rayonnements β )
• des photons (rayonnements γ ). Il existe environ 300 noyaux stables et 1000 noyaux radioactifs
Les électrons sont disposés autour du noyau et à une certaine distance :
Ils sont attirés par le noyau (charges de signes contraires),