Chapitre 5 - PowerPoint PPT Presentation

1 / 37
About This Presentation
Title:

Chapitre 5

Description:

Chapitre 5 La structure de l atome 5.1 L lectron: les exp riences de Thomson et Millikan Les faisceaux de charges lectriques, qui voyagent de la cathode l ... – PowerPoint PPT presentation

Number of Views:78
Avg rating:3.0/5.0
Slides: 38
Provided by: Danny137
Category:

less

Transcript and Presenter's Notes

Title: Chapitre 5


1
Chapitre 5
  • La structure de latome

2
5.1 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.

3
Les 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.

4
Les 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.

5
Le 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.

6
La 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.

7
La 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.

8
5.2 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.

9
Le 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.

10
5.3 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.

11
5.5 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).

12
Fréquence, 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.

13
Le spectre électromagnétique
  • La large gamme de longueurs donde et de
    fréquences est appelée le spectre
    électromagnétique.

14
Le 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.

15
Le 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.

16
Le 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.

17
La 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.

18
5.6 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.

19
Lhypothèse 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.

20
Le 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.  

21
Leffet 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.

22
Les 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.

23
5.7 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.

24
Les 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.
25
Lexplication 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

26
Exemple un e- passe de n 2 à n 1
  • ?E - 1,634 x 10-18 J
  • ?E lt 0 ? dégagement d'énergie

27
Le 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.

28
5.8 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.

29
La 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.
30
5.9 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 .

31
Les 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)

32
Les 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 .

33
Les 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

34
La 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 

35
Les 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

36
La forme des orbitales
37
Un 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.
Write a Comment
User Comments (0)
About PowerShow.com