Title: Chapitre 5
1Chapitre 5
25.1 Lélectron les expériences de Thomson et
Millikan
- Les faisceaux de charges électriques, qui
voyagent de la cathode à lanode, sont appelés
rayons cathodiques. - La trajectoire des rayons est rectiligne, et est
perpendiculaire à la surface de la cathode. - Le verre et dautres substances émettent une
fluorescence sous leffet des rayons cathodiques.
3Les rayons cathodiques
- Les rayons cathodiques sont déviés par un champ
magnétique (un aimant). - Les propriétés des rayons cathodiques ne
dépendent pas de la composition de la cathode
ils sont identiques, que la cathode soit faite
daluminium ou dargent, par exemple.
4Les expériences de Thomson
- Les rayons cathodiques sont constitués de
particules chargées négativement présentes dans
toute forme de matière. - Thompson élabora un dispositif pour mesurer le
rapport entre la masse (me) et la charge (e) des
rayons cathodiques.
5Le rapport me / e
- La valeur trouvée est me/e -5,686 x 10-12
kg/C (kilogramme par coulomb) - Cette valeur est environ 2000 fois plus petite
que la plus petite valeur mesurée jusquà ce
jour, qui était le rapport entre la masse et la
charge dions hydrogène. - Cette observation suggère donc
- Si la charge dune particule dun rayon
cathodique est comparable à celle dun ion H,
alors la masse dune particule du rayon
cathodique est beaucoup plus petite que celle
dun ion H - Si la masse dune particule dun rayon cathodique
est comparable à celle dun ion H, alors la
charge dune particule du rayon cathodique est
beaucoup plus grande que celle dun ion H. - Thompson pensait pouvoir prouver la première
hypothèse, mais na jamais pu mesurer précisément
la masse ou la charge des particules.
6La charge de lélectron lexpérience de la
gouttelettedhuile de Millikan
- À laide de ce montage, Millikan a pu déterminer
la charge de lélectron, qui est de e -1,602 x
10-19 coulomb. - Voir également lanimation disponible sur le site
du cours.
7La masse de lélectron
- Avec la valeur de la charge de lélectron (e
-1,602 x 10-19 coulomb), Millikan a également pu
déterminer la masse de lélectron à laide des
résultats de lexpérience de Thompson.
85.2 Les modèles atomiques de Thomson etde
Rutherford
- Le modèle pain au raisin de Thompson
- Thompson élabora un modèle atomique dans lequel
la charge positive de latome est distribuée
uniformément dans une sphère - Les électrons sont insérés dans la sphère de
manière à ce que leur attraction pour les charges
positives contrebalance exactement leur répulsion
mutuelle. - Les électrons représentent donc les raisins dun
pain aux raisins, et la charge positive la
mie de ce pain. - Thompson analysa donc les éléments de cette façon
jusquà des atomes ayant 100 électrons.
9Le modèle atomique nucléaire de Rutherford
- Rutherford et deux de ses étudiants, Hans Geiger
et Ernest Marsden, mirent au point une expérience
qui révolutionna la vision de latome. - Ils bombardèrent une feuille dor très mince avec
des particules a (des ions He2). - Ils constatèrent que la majorité des particules
nétaient pas déviées, ou alors très peu, en
traversant la feuille Rutherford sattendait à
ce résultat. - Il fut cependant très étonné de voir que quelques
particules subissaient une forte déviation et que
dautres particules revenaient directement vers
la source du faisceau. - Rutherford en vint à la conclusion que toute la
charge positive dun atome est concentrée au
centre de celui-ci, dans une infime partie de
latome appelée noyau. - Cest aussi incroyable que de tirer un obus de
40 cm dans un mouchoir de papier, et de le voir
revenir vers soi. Ernest Rutherford - Voir également lanimation sur le site du cours.
105.3 Les protons et les neutrons
- Les expériences qui ont mené à la conception
nucléaire de latome ont également permis de
déterminer le nombre de charges positives dun
noyau. - Rutherford pensait que ces charges étaient
portées par des particules appelées protons et
que la charge dun proton était lunité
fondamentale de charge positive il avait raison.
- Par la suite, le nombre de protons de chaque
atome a permis de clarifier la notion de numéro
atomique. - On sest également rendu compte que si tous les
protons ont la même masse, le nombre de protons
nest pas suffisant pour expliquer la masse dun
atome. - On a donc fait lhypothèse que le noyau atomique
contient également des particules de masse
semblable au proton, mais qui ne portent pas de
charge électrique, les neutrons.
115.5 La nature ondulatoire de la lumière
- Une onde est une déformation progressive et
périodique qui se propage dans un milieu, du
point dorigine à des points distants. - Les ondes électromagnétiques résultent du
mouvement de charges électriques. - Ce mouvement produit des oscillations des champs
électrique et magnétique, qui se propagent dans
lespace. - Les ondes électromagnétiques nont pas besoin
dun milieu pour se propager elles peuvent se
propager dans le vide. - On appelle longueur donde la distance entre deux
points correspondants de deux cycles consécutifs
(ex entre deux sommets consécutifs). La
longueur donde est représentée par la lettre
grecque lambda (l). Lunité SI est le mètre, mais
on exprime souvent la longueur donde en
nanomètres (nm).
12Fréquence, amplitude et vitesse dune onde
- La fréquence dune onde est le nombre de cycles
qui passent par un point donné durant une unité
de temps. La fréquence est représentée par la
lettre grecque nu (n). Lunité SI de la fréquence
est le hertz (Hz), qui est égal à un cycle par
seconde (1 Hz 1 s-1). - La hauteur dune onde est nommée amplitude, qui
est la distance entre une droite passant par le
centre de londe et un sommet. - La vitesse c dune onde est exprimée par c ln.
- Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse
constante de 2,997 924 58 x 108 m/s, valeur
souvent arrondie à 3,00 x 108 m/s. - Un rayon lumineux parcourt la distance entre
Londres et San Francisco en 0,03 s, et la
distance entre la Terre et la Lune en 1,28 s.
13Le spectre électromagnétique
- La large gamme de longueurs donde et de
fréquences est appelée le spectre
électromagnétique.
14Le spectre électromagnétique
- Le spectre électromagnétique est en grande partie
invisible. - La seule partie visible à lœil nu est située
entre 390 et 760 nm (du violet au rouge). - Toutefois, lêtre humain peut percevoir les
rayons infrarouge sous forme de chaleur. - Aussi, une trop longue exposition aux rayons UV
(ultraviolets, donc de longueur donde plus
petite que 390 nm) provoque des coups de soleil. - Le corps humain absorbe la lumière visible, mais
est presque totalement transparent aux rayons X,
ce qui permet de prendre des photographies de
lintérieur du corps. - Un fenêtre de verre est naturellement
transparente à la lumière visible et à certains
rayons infrarouges, mais elle bloque la plupart
des rayons UV il est donc impossible de prendre
un coup de soleil, ni de bronzer, derrière une
fenêtre.
15Le spectre continu et le spectre de raies
- La lumière blanche émise par une ampoule et qui
passe à travers une fente étroite puis un prisme
de verre est divisée en un spectre - Les composantes de la lumière blanche sétalent
en un arc-en-ciel cest le spectre continu.
16Le spectre continu et le spectre de raies
- Les éléments (atomes) possèdent un spectre
caractéristique à chacun, qui se présente comme
spectre discontinu, ou un spectre de raies.
17La spectroscopie démission
- Une lampe à hydrogène est un tube cathodique dans
lequel la gaz résiduel est de lhydrogène
maintenu à basse pression. - En envoyant une décharge électrique dans le tube,
une partie des atomes dhydrogène acquièrent de
lénergie (sont excités) en entrant en collision
avec les rayons cathodiques (électrons). - Les atomes excités libèrent de lénergie
(relaxent) sous forme de lumière. - Si on fait passer cette lumière dans un prisme,
on obtient détroites raies de couleur cest le
spectre de raies. - On appelle spectroscopie démission lanalyse de
la lumière émise par un élément chimique chauffé
à haute température, ou excité par une étincelle
électrique. - Une photo, ou toute autre forme denregistrement
de la lumière émise, est appelée spectre
démission de lélément.
185.6 Les photons des quantas dénergie
- Tout solide émet un rayonnement
électromagnétique, à nimporte quelle
température. - Si on chauffe un solide, il va finir par émettre
un rayonnement visible à lœil nu. - Ex à 750C, un tisonnier en fonte émet une
lumière rouge (ce que lon appelle chauffé au
rouge). - Si on élève la température à 1200C, des rayons
appartenant aux régions du jaune, du vert et du
bleu sadditionnent à ceux du rouge, et on
obtient une lumière blanche (ce quon appelle
chauffé à blanc). - Ce type de rayonnement, qui dépend uniquement de
la température dun solide et non de sa
composition, est appelé rayonnement du corps
noir.
19Lhypothèse quantique de Planck
- Selon la physique classique, les atomes dun
solide vibrent par rapport à des points fixes, et
lintensité de la vibration augmente linéairement
avec la température. - Le rayonnement du corps noir résulte donc de la
libération dune partie de cette énergie de
vibration. - En 1900, Max Planck établit une relation entre
lénergie et la fréquence du rayonnement émis par
les corps noirs. - Il dut définir une constante fondamentale, notée
h. - Toutefois, il narrivait pas à justifier la
présence de cette constante au moyen de la
physique classique. - Il a donc proposé une théorie révolutionnaire
il supposa que les atomes en vibration dun
solide chauffé absorbent ou émettent de lénergie
électromagnétique, mais uniquement en quantités
discrètes.
20Le quantum
- La plus petite quantité dénergie quun atome
peut absorber ou émettre est appelée quantum, et
elle est donnée par
- La constante h est appelée la constante de
Planck, et sa valeur est 6,626 x 10-34 J.s. - Donc, lhypothèse quantique suggère que lénergie
dun rayonnement absorbée ou émise uniquement par
quanta ou par multiples entiers dun quantum. - Donc, dans cette théorie, lénergie varie de
façon discontinue.
21Leffet photoélectrique Einstein et les photons
- Lorsquun faisceau de lumière frappe certaines
surfaces (surtout des métaux), des électrons de
la substance sont éjectés, et un faisceau
délectrons est produit. - Selon la physique classique, lénergie cinétique
des électrons éjectés dépendrait de lintensité,
ou de la brillance, de la lumière incidente. - Toutefois, ce nest pas le cas lénergie
cinétique des électrons éjectés dépend plutôt de
la fréquence de la lumière, et non de son
intensité. - Ex une faible lumière bleue produit des
photoélectrons dune énergie plus grande que ceux
produits par une lumière rouge intense. - De plus, il existe un seuil de fréquence en
dessous duquel aucun effet photoélectrique nest
observé.
22Les photons
- Einstein supposa donc que lénergie
électromagnétique existe sous la forme de petites
entités individuelles appelées photons. - Lénergie dun photon est égale au quantum
dénergie de Planck pour un faisceau de lumière
incidente de fréquence n, on a
- La découverte de leffet photoélectrique a amené
la dualité de la nature la lumière onde ou
corpuscule? - Einstein a reçu le prix Nobel pour la découverte
de leffet photoélectrique.
235.7 Bohr le modèle planétaire de
latomedhydrogène
- Bohr découvrit que lénergie dun électron (En)
est quantifiée. - Chacune des valeurs E1, E2, E3, est appelée
niveau dénergie. - Dans un spectre d'émission, chaque raie
correspond à une fréquence or, E h? ? chaque
raie correspond à une valeur d'énergie. - Bohr, dans son modèle atomique planétaire,
stipule que l'e- ne peut occuper que certaines
orbites autour du noyau, chacune possédant son
énergie une raie correspond à une transition
d'un niveau à un niveau plus bas. - Exemple le passage dun électron de la couche 4
à la couche 2 entraîne lémission dun photon
dune certaine couleur et le passage de la couche
3 à la couche 2 entraîne lémission dun photon
dune autre couleur parce que la différence
dénergie nest pas la même E4 E2 est plus
grand que E3 E2.
24Les niveaux dénergie
- L'énergie impliquée dans ces transitions est de
lénergie potentielle par convention E8 0 ?
E est négatif pour les autres niveaux.
où n est un entier qui représente un
niveau énergétique.
25Lexplication de Bohr du spectre de raies
- La variation dénergie entre un niveau final (Ef)
et un niveau initial (Ei) est donnée par ?E
Ef Ei donc
26Exemple un e- passe de n 2 à n 1
- ?E - 1,634 x 10-18 J
- ?E lt 0 ? dégagement d'énergie
27Le spectre de raies de lhydrogène
- Pour latome dhydrogène, la série spectrale pour
laquelle le niveau final est n 1 est appelée la
série de Lyman, et elle se situe dans
lultraviolet (donc pas visible à lœil nu). - Pour les transitions où le niveau final est n
2, appelée la série de Balmer, 4 raies sont dans
la région du visible. - On appelle la série de Paschen les transitions où
le niveau final est n 3.
285.8 La mécanique ondulatoire la nature
ondulatoire de la lumière
- De Broglie supposa quune particule de masse m
qui se déplace à une vitesse v se comporte comme
une onde dont la longueur donde est donnée par
- Ex une auto de 1000 kg qui se déplace à 100
km/h est associée à une onde dont la longueur
donde est 2,39 x 10-38 m, ce qui est impossible
à observer pour lhumain. - Toutefois, pour des particules de masse beaucoup
plus petite, il est possible dobserver la nature
ondulatoire associée à de telles particules - Cest à ce moment que de Broglie a supposé que
lélectron est à la fois corpusculaire et
ondulatoire.
29La fonction donde
- On appelle mécanique quantique létude de la
structure atomique à laide des propriétés
ondulatoires des électrons. - Principe dincertitude de Heisenberg on ne peut
connaître précisément à la fois la position d'une
particule et sa quantité de mouvement. - Les e- dans l'atome on peut mesurer l'énergie
très précisément, mais on ne connaît pas la
position. - On ne parle donc plus de la position exacte des
électrons, mais de la probabilité que lélectron
se trouve dans une région donnée de latome. - La fonction qui décrit cette probabilité
sappelle une fonction donde. - Le carré dune fonction donde (Y2) est égal à la
probabilité quun électron se trouve dans une
portion donnée de lespace occupé par un atome. - Pour lorbitale 1s, la fonction est décrite par
où Z est le numéro atomique de latome et ao la
distance du noyau la plus probable de retrouver
lélectron dans latome.
305.9 Les nombres quantiques et les
orbitalesatomiques
- On appelle orbitale atomique une fonction donde
à laquelle correspond un ensemble de trois
nombres quantiques. - Les nombres quantiques sont des paramètres de la
fonction donde - n - nombre quantique principal
- - détermine l'énergie de l'orbitale (et aussi
la taille de l'orbitale) - - valeurs permises n 1, 2, 3, ..., 8
- Pour une valeur de n donnée, on dit une couche
électronique .
31Les nombres quantiques
- l - nombre quantique secondaire
- - détermine la forme de l'orbitale (et un peu
aussi l'énergie) - - valeurs permises l 0, 1, 2, ..., (n - 1)
32Les nombres quantiques
- Le nombre d'orbitales permises dépend de la
couche. - Ex orbitale 1s ? n 1
- l 0
-
- orbitale 4f ? n 4
- l 3
-
- orbitale 2d ? n 2
- l 2 ? n'existe pas
-
- Pour une valeur de l donnée, on dit une
sous-couche électronique .
33Les nombres quantiques
- m - nombre quantique magnétique
- - détermine l'orientation de l'orbitale (et
parfois aussi la forme) - - valeurs permises m -l, ..., -2, -1, 0,
1, 2, ..., l
34La probabilité de localisation dun électron et
laforme dune orbitale
- Modèle de Bohr l'e- occupe une orbite
circulaire - Modèle probabiliste l'e- occupe une orbitale.
- Orbitale atomique région de l'espace, située
autour du noyau, où la probabilité de trouver
l'e- est la plus grande. - Léquation de ?1s donne
35Les orbitales
- Orbitale s
- 1 valeur de m
- 1 orientation
- 1 orbitale s par couche
- Orbitale p
- 3 valeurs de m
- 3 orientations
- 3 orbitales p par couche
- Orbitale d
- 5 valeurs de m
- 5 orientations
- 5 orbitales d par couche
36La forme des orbitales
37Un quatrième nombre quantique le spin de
lélectron
- On doit faire appel à un quatrième nombre
quantique pour décrire les électrons qui se
trouvent dans les différentes orbitales. - Le nombre quantique de spin suggère que
lélectron est animé dun mouvement de rotation. - Ce nombre quantique peut prendre deux valeurs
½ , représenté par une flèche vers le haut (?),
et - ½ , représenté par un flèche vers le bas
(?). - Le spin permet dinterpréter certaines
observations expérimentales. - Il permet entre autres de déterminer le sens du
champ magnétique associé à lélectron.