Title: Comment est produite la lumire
1Comment est produite la lumière?
- On a vu que une onde électromagnétique (e.m.) est
produite par une antenne dipolaire électrique
oscillante une charge accélérée. - La lumière étant une onde e. m., quelle est la
charge oscillante responsable de son émission? - On va étudier 2 sources de lumière les corps
chauds et les tubes à décharge. - Cet étude va nous faire rentrer dans la physique
moderne la mécanique quantique. On arrivera à
la conclusion que la lumière est émise par des
atomes lorsque ils passent dun état excité à
leur état fondamental.
2Température
- La température est une quantité fondamentale
comme la masse et le temps - Unité de mesure degrés centigrade oC
- Léchelle centigrade est divisée en 100 parties
égales entre le point - de congélation de leau (0 oC) et son point
débullition (100 oC) - Pour un gaz courant, à volume constant, la
pression varie linéairement - avec la température P ? T
- À pression constante le volume varie
linéairement avec la température V ? T - Échelle absolue de température unité le kelvin
T(oK) T(oC) 273.15
V const
P const
3Energie thermique température et chaleur
- La température dun gaz parfait (les molécules du
gaz sont libres, il ny a pas dinteraction entre
elles) est proportionnelle à la moyenne de
lénergie cinétique de translation de ses
molécules ½ mv2 3/2 kB T - kB 1,3806 1023 J/K constante de Boltzmann
- La quantité de chaleur, Q, est lénergie
thermique transférée dune région de haute
température à une région de basse température. - La chaleur peut être transmise par conduction,
convection ou par rayonnement.
- Tous les corps émettent de lénergie e.m.
- à cause de loscillation continue et désordonnée
- des atomes qui les constituent. Ce rayonnement
- thermique est constitué par une gamme de
- fréquences continue et large.
- Un bon émetteur de rayonnement est aussi un
- bon absorbeur un bon matériau noir et rugueux
- rayonne beaucoup plus que un métal.
4Radiation du corps noir
- Soit une cavité (un four) dont les parois sont à
une certaine température. Les atomes qui
composent les parois émettent une radiation e.m.
et en même temps absorbent celle émise par les
autres atomes. Quand la radiation renfermée dans
la cavité rejoint léquilibre, la densité
dénergie e.m. est constante, elle ne dépend pas
de la nature des parois, mais seulement de la
température. - Si un petit trou est ouvert dans une parois une
partie de la radiation sort et peut être analysée
sans déranger léquilibre thermique. Le trou
apparaît très brillant si le corps est à très
hautes températures et lintensité de la
radiation déquilibre est grande, mais apparaît
complètement noir à basses températures, quand
lintensité de la radiation est négligeable dans
la région du spectre visible ? radiation du corps
noir. - Le rayonnement émis est toujours constitué dun
ensemble continu de fréquences et la quantité
dénergie présente pour chaque longueur donde
dépend seulement de la température. - En 1860 Kirchhoff soumet à ses collègues le défis
dinterpréter ce spectre.
5Rayonnement du corps noir (1)
- Un corps chauffé émet un rayonnement.
- Definition de corps noir il absorbe toute la
radiation qui le frappe (exemple four chauffé à
une temperature T). - Lintensité de la radiation émise est
independente de la nature des parois I I(?,
T) - Loi de Stefan-Boltzman pour la puissance totale,
P, émise par une surface S - P sST4 s 5,6703?10-8 W m-2 K-4
- s constante universelle
- Loi de déplacement de Wien
- ?max T const 0,002898 m K
- Si un corps devient plus chaud son
rayonnement se déplace de linfrarouge, au rouge
et au bleu
6Exemple 30.2 pg 1121
- En moyenne, la température de votre peau est
denviron 33o C. En supposant que vous rayonnez
comme un corps noir à cette température, à quelle
longueur donde émettez-vous le plus dénergie?
7360) Corps noirs
- Boite noire avec mélange eau glace (0oC)
-
- Boite noire avec eau bouillante (100oC)
résistance chauffante
Thermopile détecteur de rayonnements
V
- a) Température ambiante 20oC ? T0 (273
20)oK - puissance détectée P0 s T04
- b) Détecteur en ? T1 273 oK ? P1 s
T14 - déviation du voltmètre quand le détecteur passe
de ?à? (T14-T04) - c) Détecteur en ? T2 (273100) oK ? P2
s T24 - déviation du voltmètre quand le détecteur passe
de ?à ? (T24-T04) - déviation 2/déviation 1 (T24-T04) / (T14-T04)
? -6 - ce qui correspond à la mesure
8Rayonnement du corps noir (2)
- Plusieurs tentatives sapprochent à la forme
mesurée expérimentalement, jusquà la formule de
Planck (1900) -
-
- k
constante de Boltzmann - c
vitesse de la lumière -
- h (6,6260755? 0,0000040)?10-34 J s
- Planck ne réalise pas le vrai fondement de sa
formule. Il dit cest comme si il y avait dans
le corps noir des oscillateurs moléculaires qui
absorbent ou émettent de lénergie dune façon
quantifiée ?E n h f n 1, 2.. -
9Le rayonnement du corps noir et le Big-Bang
- En 1961 Arno Penzias et Robert Wilson étaient en
train de tester un détecteur micro-ondes pour la
compagnie de téléphone Bell. Ils mesurent un
bruit de fond, uniforme dans toutes les
directions et indépendant du temps. - La distribution spectrale correspond à celle dun
corps noir de température 2,7 K . Elle a été
mesurée très précisément par le satellite COBE
(COsmic Background Explorer). - Cette radiation provient de la radiation
électromagnétique émise lorsque lunivers était
très chaud, après le Big Bang. À cause de
lexpansion de lunivers, la longueur donde de
la radiation originale á déviée vers le rouge et
elle sest refroidie jusquà 2,7 K .
10Le Big-Bang
11Preuves que lUnivers est en expansion.
- En 1915, lorsque Einstein publie la théorie de la
relativité générale, tout le monde croyait que
lUnivers est stationnaire. Mais la solution
générale des équations de Einstein demande un
Univers dont la taille change dans le temps. - En 1929 Edwin P. Hubble observe que la lumière
qui provient des galaxies les plus lointaine est
déviée vers le rouge les galaxies seloignent
(effet Doppler). - En consequence il doit y avoir un temps initial à
partir duquel lUnivers est en expansion le
Big-Bang - LUnivers aujourdhui est formé par 70-80
dhydrogène et 20-30 de hélium. Cette abondance
dhelium, constante dans toutes les galaxies, est
facilement expliqué par la théorie du Big-Bang
(temps de la nucléosynthèse). - En 1963 la troisième preuve est apportée par le
bruit de fond de micro-ondes il correspond au
temps quand lénergie du rayonnement e.m. nest
plus suffisante à interagir avec les atomes qui
se sont formés (ère du rayonnement)
12Effet photoélectrique (1)
- Leffet photoélectrique est léjection
délectrons de la surface de divers métaux
exposée à une énergie de rayonnement (rayons X,
ultraviolets ou lumière visible). - Pour une théorie ondulatoire classique plus la
lumière est intense, plus grandes sont les
amplitudes de E et B en chaque point du front
donde. Ces champs exercent des forces sur les e-
dans le métal et peuvent en arracher quelques-uns
de sa surface. Ces photoélectrons constituent un
courant qui sera proportionnel à lintensité
lumineuse incidente.
13Effet photoélectrique (2)
- Ce qui est étonnant cest que ce phénomène
présent un effet de seuil même avec une très
grande intensité, si la fréquence de la lumière
est au dessous dune certaine valeur, les e- ne
sont pas arrachés. - Une fois dépassé le seuil, le phénomène sétablit
immédiatement, même à basse intensité. Il ny a
pas un délai dans le temps, tel qui serait
nécessaire à une cumulative dénergie.
- Interpretation de Einstein toute onde e.m. de
fréquence f est un flux de - quanta dénergie (le photon) chacun ayant une
énergie E hf hc /? - Un photon entre un collision avec un e- du métal
et disparaît cédant toute son - énergie à le-. Celui-ci nest pas libre, une
certaine énergie, F, est nécessaire pour
lextraire du métal, son énergie cinétique est
alors Ec hf - F
14Exemples
- Demontrez que les unités de la constante de
Planck sont celles du moment cinétique - Déterminez lénergie cinétique maximale et la
vitesse dun électron extrait dune surface de
sodium pour lequel le travail dextraction est ?
2,28 eV quand la surface est éclairée par de la
lumière dune longueur donde de - a) 410 nm et b) 550 nm.
15Spectre demission et d absorption
- Tube à décharge haute tension et gas à basse
pression. - Le gaz excité émet des raies spectrales de
longueur donde bien précise - Inversement, quand la lumière blanche passe à
travers le gaz, les atomes absorbent - ces même longueurs donde spectre dabsorption
Anode
-
- Cathode
- Emission dun spectre discret
- caractéristique du gaz
16Spectres atomiques
- En 1885 Balmer publie une formule très simple qui
rends compte des longueurs donde observées dans
lhydrogène - 1/? R (1/22 1/n2) n 3, 4,.
série de Balmer - R 1.09737315 107 m-1 constante de Rydberg
- Les longueurs donde deviennent de plus en plus
courtes, jusquà la limite pour n ?? - Plus tard on observe la série de Lyman dans
lultraviolet 1/? R (1/12 1/n2) n
2, 3, 4,. - et la série de Pashen
- 1/? R (1/32 1/n2) n 4, 5, 6.
- Comment donc est constitué latome ?
- série des raies
- de Balmer pour lH
17Exemple 29.3 pg 1104
- Utiliser la formule de Balmer pour calculer
la longueur donde de la raie rouge du spectre
dhydrogène
18Modèles de latome
- Depuis la découverte de le- par Thomson (1890)
on sait que latome, en étant - neutre, est composé par des charges positives et
des charges négatives, les e-. - Mais comment sont distribuées les charges
positives? - Modèle de Thomson (1897) la charge positive a
une distribution uniforme - dans une sphère de rayon r 10-10 m (
dimensions de latome) et les e- à - lintérieur se comportent comme des oscillateurs.
- Modèle planétaire la charge positive est
concentrée au centre, dans le noyau - r 10-15 m et les e- tournent autours
19Experience de Rutherford (1911)
- Des particules a (He) sont envoyées sur une
feuille dor et on mesure limpact des particules
qui traversent la feuille sur un écran
scintillant. - Intensité de la source a 4?1010/s (1 gr
Radium) - Si le modèle de Thomson était correct on ne
devrait pas observer des particules à grand
angles. - Lexpérience montre que
- très peu de particules a sont déviées du faisceau
original - 1-2 10-4 particules ont une déviation vers
larrière
- Taille du noyau comme pour une comète, au point
le plus proche de la particule - a au noyau, on a Ec Ep.
- Ec ½ mv2 v 1,5 ? 107 m/s m 6,6
? 10-27 kg - Lénergie potentielle électrique est Ep k
(Ze)(2e) / r Z 79 - r 4,9 ? 10-14 m
20Modèle de Bohr
- Dans le modèle planétaire on a des e- qui
tournent autour du noyau positif. - Des e- en orbite sont accélérés donc émettent une
onde e.m. (la lumière). Mais - on devrait observer un spectre continu
- les e- , en émettant la lumière, perdent de
lénergie et tombent en spirale sur le noyau un
tel atome nest pas stable.
- Modèle de Bohr les e- existent seulement sur
certaines orbites stables. - Sur une orbite, état stationnaire, les e-
némettent pas de rayonnement. - Lémission dun quantum de lumière advient
lorsque un atome excité passe - dun niveau initial (Ei) à un niveau final (Ef)
hf Ei Ef - Le moment cinétique (ou moment angulaire) de
le-, L mvr , est quantifié - L mv rn n h/2p n 1, 2, 3
condition quantique - h/2p ? 1,054?10-34 J s
21Illustration du modèle de Bohr
Un atome dans le premier état excité retourne à
létat fondamental en émettant un photon de
basse énergie DEEf-Eihf donc avec ?c/f
élevée. On obtient une raie spectrale de basse
fréquence.
Un atome dans le second état excité retourne à
létat fondamental en émettant un photon hf
DE de haute énergie, cest à dire de petite
longueur donde ?.
22Exemple 30.6 pg 1134
- Quelle est lénergie que doit recevoir
latome dhydrogène pour lamener de son état
fondamental au premier état excité? Si cette
énergie vient dun photon, quelle est la
fréquence du photon?
23Modèle de Bohr les rayons des orbites
- La force centripète qui tient un e- sur lorbite
n est la force de Coulomb - F k (Ze) e / rn2 mea mev2 /rn
- v L /me rn n ? /me rn
- condition quantique
- rn n2 ?2 / (mek Ze2) n2 r1
- r1 0,0529177 nm
- rayon de létat fondamental de latome
dhydrogène rayon de Bohr - Pour des atomes plus lourds que lhydrogène, la
plus grande charge des noyaux attire plus
fortement les e- qui lentourent et cela réduit
leurs orbites. Ainsi les atomes ont presque tous
le même diamètre. Luranium (Z 92) a un rayon
seulement 3 fois plus grand que lhydrogène.
24Modèle de Bohr les niveau dénergie
- Lénergie totale dun e- sur une orbite est
- En Ec Ep
- En ½ me vn2 - k Ze2 /rn
- En k Ze2 /2rn - k Ze2 /rn
- En - (k2 e4 me / 2?2)(Z2 /n2)
- énergie négative ?énergie de liaison
- En - 13,6 /n2 eV pour lH
- E1 - 13,6 eV - 2,17 10-18 J
- Lentier n qui définit lorbite et lénergie est
appelé nombre quantique principal - Si n augmente les orbites deviennent de plus en
plus éloignées et les niveaux dénergie
deviennent de moins en moins négatifs. Ils
sapprochent de zero pour - n ?? et quand lénergie est positive le-
est libre (latome est ionisé).
On retrouve les series experimentales avec DE
En-Eihfhc/l (i 1,2,3) et donc
25Énergie gravitationnelle leçon du 30 Novembre
2005
Atome
Ec
Libre
EP
EP
EP
Ec
0
Énergie de liaison
En
Ec
EP
Etat lié En orbite mv2/r G mMT/r2 ? E ½
m v2 - G mM /r - G mM /2r lt0
26Dualité onde-particule
- Le photon est une particule avec masse nulle de
vitesse c. En cinématique relativiste on a alors
E pc. - La quantité de mouvement du photon est ainsi p
E/c hf /c h /? . Dun côté on a les
quantités qui caractérisent le mouvement dune
particule (E, p) de lautre celles
caractéristiques dune onde (f 1/T, ? ). - De Broglie (1923) applique cette relation aussi à
des particules ayant une masse - ? h /p h /mv longueur donde dune
particule - Exemple 1 Une balle de 0,20 kg avec vitesse v
15 m/s ? ? 2,2?10-34 m - Exemple 2 Un e- accéléré dans une différence de
potentiel de 100 V - ½ mv2 e V ? v ?2 (1,6?10-19 C) (100 V)
/(9,1? 10-31 kg) 5,9 ? 106 m/s - ? (6,6 ? 10-34 J s) /(9,1? 10-31 kg) (5,9 ? 106
m/s) 1,2?10-10 m - Une telle longueur donde peut être détectée
lespacement des atomes dans un cristal est de
lordre de 10-10 m et leur disposition ordonnée
peut servir de réseau de diffraction - Diffraction des e- sur la surface du Nickel
Davisson et Germer (1927) - Principe de complémentarité de Bohr (E,p) sont
les complémentaires de (T, ? ) - ET p ? h
27Problèmes
- 1) Une balançoire pour enfant a une fréquence de
0,4 Hz - Quelle est la séparation entre 2 valeurs
dénergie possibles (en joules) ( h 6,626?10-34
Js) - Si la balançoire atteint une hauteur de 30 cm
au-dessus du point le plus bas et quelle a une
masse de 20 Kg (y compris lenfant), quelle est
la valeur du nombre quantique n? - Quelle est la variation relative de lénergie
entre les niveau dont les nombres quantiques sont
respectivement n et n 1 ? - 2) Utilisez le modèle de Bohr pour
déterminer lénergie de liaison de lion He qui
na quun seul électron. Calculez aussi la
longueur donde minimale que doit avoir un photon
pour provoquer une ionisation
28Latome selon Louis de Broglie
- Le- étant une onde, son orbite dans latome
doit être une onde stationnaire circulaire,
fermée sur elle même. Si une longueur donde
nest pas fermée sur elle même il se produit une
interférence destructive et londe disparaît
rapidement. - Les seules ondes qui persistent sont celles pour
lesquelles la circonférence de lorbite
circulaire contient un nombre entier de longueurs
donde 2p rn n ? n 1, 2, 3 - 2p rn n h / mv ou mv rn n ? ?
condition quantique de Bohr. - Les orbites et les niveaux dénergie de Bohr
trouvent ainsi une explication dans la nature
ondulatoire de le- et au fait que seules des
ondes stationnaires persistent. - Interprétation probabiliste londe ne décrit
pas la trajectoire de le-, mais la probabilité
de trouver le- à une position x à un temps t ?
?(x, t) fonction donde. - ?(x, t) est une fonction complexe. La
probabilité est définie par ? 2 dV , avec
normalisation ? ? 2 dV 1
29Principe dincertitude de Heisenberg (1927)
- On a bien vu que toute mesure suppose une
certaine incertitude, erreur de mesure
(statistique et systématique) - Selon la mécanique quantique, il existe une
limite fondamentale due à la dualité
onde-particule et à linteraction inévitable
entre le système observé et linstrument
dobservation. - On ne peut pas mesurer simultanément, avec
précision, la position et la quantité de
mouvement dune particule ?x ?p ? ½ ? - De même lénergie dune particule peut être
incertaine, ou même ne pas être conservée pendant
un temps ?t tel que ?E ?t ? ½ ?
30Les nombres quantiques de latome
- En mécanique quantique, en étudiant la fonction
donde de le- dans latome, on découvre
plusieurs valeurs possibles dénergie, associés à
des nombres quantiques - n nombre quantique radial (ou principal)
n 1, 2, - ? nombre quantique orbital L mv r ? ? (?
1) ? 0 ? ? ? n-1 - m? nombre quantique magnétique Lz m? ?
- ? ? m? ? ? - s spin
s ?
1/2 - Principe dexclusion de Pauli deux e- dans un
atome ne peuvent pas occuper le même état
quantique. - Règle de sélection lémission ou labsorption
dun photon est une transition entre 2 états qui
diffèrent dune unité de ? ? ? ?1
31Schéma de la structure des 10 premiers atomes du
tableau périodique ( Z nombre de-)
- Les couches n 1, 2, 3, 4, 5 sont désignées
par les lettres K, L, M, N, O
32Les nombres quantiques ? et m?
- Chacune des raies spectrale (En) de lH est en
effet formée par des raies proches les unes aux
autres structure fine. - À chaque valeur de ? correspond une lettre
- s p d f g h
- ? 0 1 2 3 4 5
- Les différentes énergies dues au nombre
quantique magnétique sont les mêmes (niveaux
dégénérés) sauf en présence dun champ magnétique
(effet Zeeman). -
33Les nombres quantiques possibles pour n 1 et n
2
34Les couches électroniques de latome
l 1
l 0
35Transitions permises
- Le diagramme montre des niveaux dénergie
- pour lhydrogène avec les transitions
permises, selon la règle de sélection ? ? ?1 - Une transition telle que un e- dans un état ? 2
passe à un état ? 0 sappelle transition
interdite. En fait une telle transition nest pas
absolument interdite, mais sa probabilité est
très faible comparativement aux transitions
permises. - Comme le moment angulaire orbital dun atome
dhydrogène doit changer dune unité quant
latome émet un photon, la conservation du moment
angulaire nous montre que le photon doit apporter
avec lui une partie du moment angulaire.
Effectivement les résultat de différentes
expériences indiquent que le photon possède un
spin 1.
36Découverte des rayons X
- En 1895 Röntgen (1845-1923) découvre que si on
bombarde une surface de verre ou de métal avec
des e- accélérés dans un tube à vide on provoque
la luminescence de minéraux fluorescents ?
rayons X - Ces rayons ne sont pas déviés par des champs E
ou B ?ils ne sont pas des particules chargées - Ondes e. m. de longueur donde (? ?10-2 10 nm)
beaucoup plus petite que celle de la lumière - Diffraction sur un réseau cristallin espacement
régulier entre les atomes d ? 10-10 m 10-1 nm
Hecht pg 929-1094-1128
37Diffraction des rayons X (cristallographie)
- Dans un cristal simple comme le NaCl, les atomes
sont disposés régulièrement - aux sommets de cubes adjacents. Lespacement
entre le plan datomes étant d. - Des rayons (1 et 3) qui tombent sur la surface
du cristal à un angle ? , réfléchis - par deux plans subséquent datomes, interfèrent
constructivement si la distance - supplémentaire parcourue par le rayon 3 par
rapport au rayon 1 est égale à un - nombre intier de longueurs donde. Cette
distance supplémentaire est de 2d sin ?. - m? 2d sin ? m 1, 2 , 3 . équation de
Bragg - Notez que ? nest pas langle avec la normale à
la surface !!!! - Si on connaît ? et la mesure de langle ?
auquel il y a interférence constructive, - on peut obtenir d. Cest la base de la
cristallographie par rayons X.
38358) Diffraction de Bragg
- La loi de Bragg donne 2d sin ? n ?
- La connaissance de ? (? 0.071 nm) et la
mesure de ? permet de déterminer d, la distance
entre plans réticulaires. - La valeur de n correspond à un ordre de
diffraction et se déduit des figures - On obtient d ? 0.28 nm
39Les spectres des rayons X
- Pour des éléments avec Z élevé, les spectres de
raies des atomes dans les régions visible,
ultraviolette et infrarouge sont dus surtout aux
transitions entre les états des e- extérieurs.
Ces e- sont protégés contre la plus grande partie
de la charge du noyau par la charge négative des
e- intérieurs. Les e- les plus à lintérieur,
dans la couche n1, voient la charge entière du
noyau. Comme lénergie dun niveau est
proportionnelle à Z2, les longueurs donde des
transitions entre une couche extérieure et une
intérieure se trouvent dans la région des rayons
X.
Ka
Kß
- Le spectre des ? émises par un tube à rayons X
est composé par 2 parties - un spectre continu, avec une coupure à une valeur
?min qui dépend seulement de la tension dans le
tube, donc de lénergie cinétique des e-
(rayonnement de freinage ou bremsstrahlung) - une série de pics, à ? fixe, caractéristique des
matériaux utilisé
Ka transition de la couche n2 à la couche K
(n 1) Kßtransition de la couche n3 à la
couche K
40Rayonnement de freinage e ?e ?
- Quand les e- frappent la cible, ils entrent en
collision avec des atomes du matériau et cèdent
la plus grande partie de leur énergie sous forme
de chaleur (99 de sorte que les tubes à rayons
X doivent être refroidis). - Un e- peut aussi être décéléré et émettre une
radiation e.m. rayonnement de freinage
(bremsstrahlung) - Comme lénergie est conservée , lénergie du
photon émis est égale à lénergie cinétique
perdue par le- hf Ec Ec - Le spectre continu sexplique par de telles
collisions dans lesquelles différentes quantités
dénergie sont perdues par les e-. - On observe ?min lorsque le- cède toute son
énergie (Ec eV) dans une seule collision - h f max e V ? ?min hc /eV
cible
e-
e-
41Exemples
1) Estimez la longueur donde pour une
transition n 2 à n 1 dans le molybdène
(Z
42)
2) Quelle est la plus petite longueur donde
dun photon de rayon X émis dans un tube à rayon
X soumis à 35 kV?
42Ne pas oublier
- Une onde electromagnetique de fréquence f et
longueur donde l a une energie E h f et une
quantité de mouvement p h /l ? Epc - Une particule est une onde avec longueur donde l
h/p - Principe dincertitude de Heisenberg Dx Dp ?
1/2? - Lénergie et le moment cinétique des électrons
dans un atome sont quantifiés. Un état quantique
est defini par 4 nombres n, l, ml, s - Deux électrons dans un atome ne peuvent pas
occuper le même état quantique (principe
dexclusion de Pauli) - Leffet photoélectrique présente un seuil les e-
libérés ont une énergie cinétique Ec h (f
fseuil) - Un quantum de lumière (un photon E h f) est
émis (ou absorbé) dans la transition dun niveau
atomique à un autre.