Licence de Physique Générale et Appliquée Introduction à la

Licence dePhysiqueGénérale etAppliquée
Année 2004-2005
IntroductionàlaPhysiqueQuantique
FasciculeI:PhysiqueNucléaire etAtomique
PhilippeTourrenc,Paulo Angelo,JérômeGariel
UniversitéPierre etMarieCurie

ii

Tabledesmatières
Introductionvii
Notationsparticulières................................ vii
Multiplesetsous-multiples............................. viii
Constantesphysiques:dé…nitions.......................... viii
Unitésusuelles.................................... ix
Constantesphysiquesusuelles............................ x
Laclassi…cation périodique............................. xi
Lesondesélectromagnétiques............................ xiii
IL’atome etson noyau1
1Constitution del’atome3
1.1Introduction................................... 3
1.2Lesconstituantsdel’atome, ledéfautdemasse................ 3
1.3Lenuage électronique............................. 5
1.4Lenoyau.................................... 9
1.4.1Lerayon nucléaire........................... 9
1.4.2Lemodèledela goutteliquide.................... 10
1.4.3Lesnoyauxstables........................... 12
1.4.4Lesétatsexcités............................ 15
1.5Conclusion................................... 16
2Réactionsnucléaires17
2.1Généralités................................... 17
2.1.1Loidedécroissance exponentielle................... 17
2.1.2Constantespartiellesetdemi-viese¤ectives............. 18
2.1.3Loisde conservations.......................... 20
2.2Radioactivité.................................. 21
2.2.1Radioactivité®............................. 22
2.2.2Radioactivit鯡............................ 22
2.2.3Radioactivité¯+etcapture électronique............... 23
2.2.4Lesfamillesradioactives........................ 24
2.2.5Radioactivité°............................. 25
2.3Fission,Fusion................................. 26
2.3.1Fission.................................. 26
2.3.2Fusion.................................. 26
2.4Lesrayonnementsionisants.......................... 27
2.4.1Activité................................. 28
2.4.2E¤etdelaradioactivité,notion dedose............... 28

iv TABLEDESMATIÈRES
2.4.3Protection................................ 29
2.5Applications................................... 30
Annexe:démonstrations............................... 33
II Laquanti…cationdurayonnement35
3Lerayonnementàl’équilibrethermodynamique37
3.1Introduction................................... 37
3.2Lesmodesd’une cavité............................. 39
3.2.1Cavitéàunedimension........................ 39
3.2.2Cavitéàtroisdimensions....................... 41
3.3Ladensitéspectraled’énergieàl’équilibrethermodynamique....... 42
3.4Lesconséquencesdu calculdePlanck..................... 46
3.5Conclusion................................... 47
4Lephoton49
4.1L’e¤etphotoélectrique............................. 49
4.2L’e¤etCompton................................ 51
4.3Lescoe¢cientsAetBd’Einstein....................... 53
4.4Conclusion................................... 55
III Laquanti…cation des systèmesmatériels57
5Quanti…cation desénergiesatomiques.59
5.1Les spectresatomiques............................. 59
5.1.1Les spectresderaies.......................... 59
5.1.2Lalargeurdesraies.......................... 61
5.2L’expérience deFrancketHertz........................ 63
5.3Lesondesdematière.............................. 65
5.3.1Lalongueurd’ondededeBroglie................... 65
5.3.2L’atomedeBohr............................ 66
5.4Les séries spectrales.............................. 69
5.4.1L’atomed’hydrogène.......................... 69
5.4.2Lesatomesàplusieursélectrons................... 69
5.4.3Les spectresderaies, lesrayonsXetlaloideMoseley....... 70
5.5Conclusion................................... 74
Annexes........................................ 74
Expérience deDavissonetGermer...................... 74
Expérience deFertetFaget.......................... 74
E¤etd’entraînementdu noyau........................ 75
6Lemagnétismeatomique77
6.1Introduction................................... 77
6.2Lemagnétismeàl’échelleatomique...................... 80
6.2.1LethéorèmedeLarmor........................ 80
6.2.2Lesmomentsmagnétiques....................... 81
6.2.3L’atomedeBohr............................ 83
6.2.4Rapportgyromagnétique etprécession deLarmor.......... 83
6.2.5L’expérience deSternetGerlach................... 84
6.3Lathéoriedelamesure enmécaniquequantique. .............. 86

TABLEDESMATIÈRESv
6.3.1Lathéoriedelamesure........................ 86
6.3.2L’expérience deSternetGerlach:résultatsetinterprétation. . . 88
6.3.3Lesmesuresincompatibles....................... 88
6.4Lemagnétismeàl’échellemacroscopique................... 89
6.4.1Lediamagnétisme........................... 89
6.4.2Leparamagnétisme........................... 89
6.5Conclusion................................... 91
Annexes........................................ 92
ThéorèmedeLarmor.............................. 92
Modèlevectorieldel’atome.......................... 95
Conclusion:verslamécaniqueondulatoire99