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Passer à la première page h Guy COLLIN, 2012-06-29 Lélectron Physique atomique Chapitre 3.

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1 Passer à la première page h Guy COLLIN, Lélectron Physique atomique Chapitre 3

2 Physique atomique Chapitre 3 : lélectron n Quest-ce quun électron ? n Peut-on le décrire en terme de masse, de charge électrique, de moment magnétique ? n Comment se comporte-t-il ?

3 Les propriétés de lélectron n La première manifestation, identification de lélectron : lélectrolyse à laquelle est associé le nom de FARADAY. n Lélectron porte la charge électrique négative. n Loi de lélectrolyse :

4 La déflexion électrique dun faisceau délectrons n La déflexion dun faisceau délectrons dans un champ électrique. n Le faisceau est soumis à une force dans le champ électrique. n Il est donc dévié. Quelle information peut-on tirer de cette déviation ?

5 Description du tube utilisé pour mesurer la déviation Appareillage utilisé (tube sous vide) Cathode Anode Tube sous vide Écran phosphorescent Orifice Source de tension Mesure de la déflexion

6 Plaque chargée positivement Appareillage utilisé (tube sous vide) La déviation dun faisceau délectrons dans un champ électrique

7 Tache y x 0 D L Écran d E v0v0 e y1y1 La déviation dun faisceau délectrons dans un champ électrique

8 La position du spot sur lécran est telle que : On na donc pas accès aux valeurs de e et de m ni de e/m puisque lon ne connaît pas la valeur de v 0 2. La déviation dun faisceau délectrons dans un champ électrique

9 La déflexion magnétique dun faisceau délectrons n La déflexion dun faisceau délectrons dans un champ magnétique. n Le faisceau est soumis à une force dans le champ magnétique. n Il est donc dévié. Quelle information peut-on tirer de cette déviation ?

10 La déviation dans un champ magnétique dun faisceau délectrons Appareillage utilisé : tube sous vide Aimant ou électroaimant Une animation

11 Déviation dans un champ magnétique n Quelle est lorientation de la déviation ? n On applique la règle des 3 doigts de la main droite : u Ordre : pouce - index – majeur ; courant i - champ magnétique - force résultante F. i F

12 La déviation dun faisceau délectrons dans un champ magnétique Écran y e - x z E D h G C R 0 h1h1 Tache B

13 La position du spot sur lécran est telle que : n On na donc pas accès aux valeurs de e et de m ni de e/m puisque lon ne connaît toujours pas la valeur de v 0. La déviation dun faisceau délectrons dans un champ magnétique

14 Déviation simultanée, électrique et magnétique n On sarrange pour que les forces électriques et magnétiques soient orientées de manière opposée. n De plus on ajuste ces champs électrique et magnétique de telle manière que les deux forces sannulent. n Dans ce cas on peut éliminer linconnue v 0. Une animation

15 Déviation simultanée électrique et magnétique dun faisceau délectrons Cette équation permet de calculer le rapport e/m : e/m = 1, C·kg 1

16 Le sélecteur de vitesse n En faisant en sorte que les forces électrique et magnétique soient égales en valeur absolue : n e v B = e E n Doù v = E / B n Pour un champ magnétique B donné auquel correspond un champ électrique E, la vitesse des électrons est fixe. n Cest le principe de fonctionnement du sélecteur de vitesse. On dispose dun outil qui génère des électrons monocinétiques.

17 La détermination de la charge électrique e - n On connaît la valeur du rapport e/m. Comment connaître lune et lautre de ces deux valeurs ? n Cest lobjet de lexpérience de MILLIKAN, encore appelée expérience de la goutte dhuile. n Le principe : mesurer la vitesse de chute dune gouttelette dhuile préalablement ionisée dans un champ électrique connu.

18 Lappareil de MILLIKAN

19 Lexpérience de MILLIKAN Le résultat net de lexpérience de MILLIKAN est la mesure de la charge élémentaire : e = 1, ( = 0, ) C m peut être alors calculé via le rapport e/m : m = 9, ( = 0, ) kg

20 Les rayons canaux n Lapplication des techniques ci-haut développées aux rayons canaux permettent dobtenir les mêmes valeurs pour le proton. n La masse du proton m p est telle que : m p = 1, ( = 0, kg) Production des rayons canaux : Gaz raréfié + haute tension

21 Conséquences des expériences précédentes n Connaissant la masse de lélectron et celle du proton, on connaît le rapport m p /m : m p /m = 1 835,13 n Connaissant la charge électrique élémentaire, on peut calculer le nombre dAVOGADRO :

22 Lélectron-volt : eV n Le travail avec des particules aussi petites que lélectron a favorisé lapparition dune unité énergétique : lélectron-volt. n Cest la quantité dénergie cinétique transportée par un électron au repos et accéléré sous une différence de potentiel de 1 volt :

23 Onde associée Diffraction des électrons n Lélectron est donc un corpuscule : il a une masse et porte une charge électrique. Il peut se mouvoir avec une vitesse v. n DE BROGLIE a montré théoriquement, quon peut aussi le considérer comme une onde. n La démonstration expérimentale a été faite par DAVISSON et GERMER (1927).

24 Enceinte vide Lentilles électroniques Cage de FARADAY e Résultats de lexpérience de DAVISSON et GERMER

25 Le faisceau est diffracté dans des directions privilégiées. I 0

26 Explication de lexpérience de DAVISSON et GERMER À léchelle dun atome, la perturbation est celle dune entité chargée qui traverse le nuage électronique. 2Pz2Pz 2Py2Py 2Px2Px 2S2S 1S1S e

27 Explication de lexpérience de DAVISSON et GERMER n À léchelle dun réseau atomique, la perturbation est similaire à celle dun faisceau de rayons X traversant un monocristal. n ou encore à un faisceau de lumière diffractant sur un réseau. n On montre ainsi que la loi de BRAGG sapplique à la diffraction dun faisceau délectrons. Le faisceau délectrons se comporte comme une onde.

28 Diffraction sur un plan réticulaire AA' Angle dincidence = angle de réflexion R1R1 R2R2 H' H M

29 Diffraction sur des plans parallèles La différence de marche entre deux rayons doit être en phase. Cest la loi de BRAGG : H d BB' A H

30 Conséquences de laspect ondulatoire Selon DE BROGLIE, = h /m v. n Lénergie cinétique des électrons est E = 1/2 m v 2 = (m v) 2 / 2 m. n En éliminant la vitesse entre ces deux équations, il vient :

31 Correction pour des électrons rapides Si la tension accélératrice des électrons dépasse volts, il faut faire intervenir la correction de relativité (EINSTEIN) : m = m 0 / (1 v 2 /c 2 ) 1/2 n Le rapport v 2 /c 2 << 1 aux vitesses quotidiennes. n Pour des différences de potentiel de 80 kV (vitesse de 1, m/s), les 2 premiers termes du développement en série de la formule dEINSTEIN sont suffisants.

32 Correction pour des électrons rapides n Pour des électrons allant à une vitesse v = 1/2 c, la correction de la masse est telle que m = m 0 (1 + 1/8). n Une autre conséquence de la théorie de la relativité est léquivalence entre la masse et lénergie : E = mc 2, ou encore, n La variation de masse est égale à la variation dénergie :

33 Conclusion n Lélectron a donc une masse, petite, mais bien réelle. n Il porte une charge électrique, elle aussi petite, mais toute aussi réelle. n La mécanique classique est incapable dexpliquer quantitativement certains phénomènes n La diffraction des électrons montre quune onde est associée à ces électrons. n électrons : dualité corpuscule onde


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