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Passer à la première page Guy Collin, 2012-06-29 Le magnétisme atomique Physique atomique Chapitre 10 h.

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1 Passer à la première page Guy Collin, Le magnétisme atomique Physique atomique Chapitre 10 h

2 h Chapitre 10 : Le magnétisme n Le chapitre précédent a permis didentifier à léchelle de latome les particularités de linteraction entre un champ magnétique externe et celui de latome (la quantification spatiale). n Comment ces interactions se traduisent à léchelle macroscopique ? n Est-ce que les moments magnétiques atomiques sadditionnent ? Si oui, de quelle manière ?

3 h Susceptibilités dia et paramagnétique n Les substances dia et paramagnétiques sont celles qui prennent dans un champ magnétique H une intensité daimantation J par unité de volume proportionnelle au champ : 0 est la permittivité spécifique du vide. n La constante de proportionnalité est un nombre sans dimension appelé « susceptibilité magnétique » de la substance.

4 h Substance paramagnétique NS NS vide Lintroduction dune substance modifie les lignes de champ magnétique : elles sont plus denses avec une substance paramagnétique. Les substances paramagnétiques sont attirées par le champ magnétique.

5 h Substance diamagnétique NS vide Lintroduction dune substance diamagnétique repousse les lignes de champ. Substance diamagnétique : Les substances diamagnétiques sont repoussées par le champ magnétique.

6 h Observations des susceptibilités dia et paramagnétique n Le paramagnétisme est orienté dans le sens du champ H. n Le diamagnétisme est dirigé en sens inverse de H. n Le diamagnétisme est universel. n Le paramagnétisme est accidentel. Il sajoute algébriquement au diamagnétisme. n Lorsquil existe, la valeur absolue du paramagnétisme, est beaucoup plus grande que celle du diamagnétisme.

7 h Quelques définitions n On définit une susceptibilité spécifique par gramme de substance par la relation : m = / (où est la densité) n On définit également une susceptibilité molaire, ou moment magnétique par mole : M = M / (où M est la masse molaire) n On peut aussi séparer les deux effets magnétiques : M = P + D

8 h Les unités La constante de proportionnalité est un nombre sans dimension appelé "susceptibilité magnétique" de la substance. La susceptibilité molaire est : La susceptibilité molaire à la dimension du rapport M /, M est la masse molaire et est la densité. En C.G.S., M sexprime en g/mole cm 3 /g, donc en cm 3 /mole.

9 h La théorie du paramagnétisme Loi expérimentale de CURIE n La susceptibilité paramagnétique est inversement proportionnelle à la température absolue. n On appelle constante de CURIE la constante de proportionnalité C, relative à une mole de matière : est le point de CURIE. n Dans le cas des solides en général, WEISS a proposé une loi modifiée :

10 h Théorie de LANGEVIN du paramagnétisme parfait n Dans un champ magnétique, il y a compétition entre lorientation due au champ et lagitation thermique. n La théorie néglige complètement linfluence des moments magnétiques les uns sur les autres. n La première condition pour lobservation du paramagnétisme est lexistence dun moment magnétique propre. Ce moment étant lié au moment cinétique J, la condition sexprime : J 0. u Exemple : loxygène moléculaire en phase gazeuse, les ions en solution diluée.

11 h Théorie de LANGEVIN du paramagnétisme parfait n Le problème théorique consiste à calculer la contribution de N atomes de moment magnétique au moment magnétique total. La contribution de chaque atome au moment magnétique total est H = g B [J (J + 1)] 1/2 cos n On montre que la susceptibilité paramagnétique est donnée par la relation : On en tire la valeur de la constante de CURIE :

12 h Susceptibilités paramagnétiques molaires Un tableau plus détaillé montrerait quon obtient plusieurs valeurs autour de 1 300, 3 300, 6 300, cm 3 /mol.

13 h Électrons célibataires et susceptibilité magnétique

14 h Paramagnétisme en solution diluée cas de FeCl 3 La température est sans effet sur la constante de CURIE. La susceptibilité paramagnétique décroît avec laugmentation de la température.

15 h Diamagnétisme La théorie classique n Laction dun champ magnétique H sur une orbite électronique de rayon r perpendiculaire à linduction a pour effet dimposer à lélectron une force de LAPLACE. n Les énergies des orbites sont quantifiées et les rayons ne peuvent varier (théorie simple de BOHR). La variation de la vitesse angulaire entraîne une variation du moment magnétique M : e et m e sont la charge et la masse de lélectron. 0 est la permittivité absolue du vide.

16 h n Les orbites électroniques nexistent pas en tant que trajectoires linéaires, mais comme des nuages ou orbitales. n Le rayon moyen de lorbitale est fonction de (x, y, z ). n Cest ce rayon moyen qui doit intervenir dans la théorie au lieu du rayon défini r des orbites de BOHR. n La susceptibilité diamagnétique molaire est alors : avec Diamagnétisme La théorie quantique

17 h Résultats et observations n La susceptibilité diamagnétique croît avec le (diamètre moyen) 2 comme le montre les gaz rares et les ions positifs et négatifs. n Il est possible de tirer de la valeur expérimentale de la susceptibilité diamagnétique une valeur du diamètre moyen de latome. n Des théories ( HARTREE, SLATER) plus élaborées ont aussi été développées : voir un cours plus avancé à cet effet.

18 h Susceptibilités diamagnétiques et diamètres moyens

19 h Additivité du diamagnétisme n Ladditivité approximative de la susceptibilité diamagnétique est immédiatement évidente daprès la théorie précédente. i est la susceptibilité atomique ; j correspond aux incréments imposés par la distorsion des liaisons sur les susceptibilités atomiques.

20 h Susceptibilités diamagnétiques atomiques La susceptibilité diamagnétique est une propriété additive des atomes constitutifs de la molécule.

21 h Susceptibilités magnétiques incréments de liaisons

22 h Conclusion n Dépendant de labsence ou de la présence dun moment magnétique atomique, les substances sont diamagnétiques ou paramagnétiques. n Propriété universelle, le diamagnétisme est le résultat de la déformation du nuage électronique sous linfluence du champ externe. Ce champ interagit avec le moment orbital total des atomes. n Le diamagnétisme ne dépend pas de la température. n Le diamagnétisme est une propriété additive atomique.

23 h Conclusion n Le paramagnétisme est limité aux substances formées datomes ayant un moment cinétique de spin non nul. n Le paramagnétisme est de signe opposé au diamagnétisme et présente des valeurs absolues de beaucoup supérieures à celles observées avec le diamagnétisme. n Le paramagnétisme est fonction de linverse de la température. n Le paramagnétisme est une propriété « additive » des moments magnétiques de spins.


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