OPTIQUE - 2 Nature et propriétés de la lumière : dualité ondes-particules Les lois de propagation, diffusion et diffraction de la lumière Bases sur le.

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1 OPTIQUE - 2 Nature et propriétés de la lumière : dualité ondes-particules Les lois de propagation, diffusion et diffraction de la lumière Bases sur le rayonnement Laser Les spectrométries optiques, l’oxymétrie de pouls Emmanuel DURAND Biophysique - CHU Bicêtre

2 Avertissement : ce cours comporte quelques redondances avec celui d’avril 2009 dans un ensemble plus large, certaines notions auraient probablement été traitées dans un ordre différent

3 QCS 1 Le principe de fonctionnement du LASER repose, de manière principale, sur : A – une absorption B – une émission spontanée C – une émission stimulée D – une transition non radiative E – un effet Raman

4 QCS 2 Le principe de fonctionnement des oxymètres repose sur : A – une absorption dans l’ultraviolet B – une émission dans l’ultraviolet C – une absorption dans l’infrarouge D – une émission dans l’infrarouge E – un effet Raman

5 QCS 3 Parmi les rayonnements suivants, certains peuvent déclencher directement une réaction chimique ; choisir parmi eux celui d’énergie la plus faible A – ondes radio B – micro-ondes C – infrarouge D – visible E – ultraviolet

6 QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS
SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUE TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

7 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES quantification des niveaux d'énergie à l'échelle moléculaire / atomique / nucléaire énergie valeurs spécifiques (spectre) "empreintes digitales" SPECTROSCOPIE

8 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? 1- en unité d'énergie du Système International exprimée en joule (J) peu usité (énergies très faibles)

9 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? 2- en électron-volt exprimée en électron-volt (eV) physique atomique et nucléaire (radioactivité)

10 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? 3- en unité d'énergie rapportée à la quantité de matière exprimée en J/mol ou kJ/mol chimie

11 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? 4- en fréquence fréquence exprimée en hertz (Hz) constante de Planck électronique, ondes radio, basses énergies

12 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? 5- en longueur d'onde longueur d'onde exprimée en km, m, mm, µm, nm, Å... optique, ondes radio

13 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? 6- en nombre d'onde exprimée en cm-1 = nombre d'ondes par unité de longueur spectroscopie fréquence nombre d'onde

14 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? 7- en équivalent de température exprimée en kelvin (K) constante de Boltzmann la température correspond en fait à une énergie (translation, vibration… des molécules)

15 QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS
SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUES TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

16 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES exemple : 1,0 eV = 1, J = 96,5 kJ/mol = 2, Hz = 1240 nm = Å = 8065 cm-1 = K

17 SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE
énergie les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques plutôt aspect ondulatoire plutôt aspect corpusculaire

18 SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE
les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques typiquement : 1 kHz -1 GHz (ex: France info MHz) longueur d'onde 1 m km phénomène microscopique = magnétisme nucléaire (RMN/IRM)

19 SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE
les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques typiquement : 10 GHz -100 GHz longueur d'onde 1 mm - 1 cm phénomène microscopique = rotation des molécules

20 SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE
les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques typiquement : longueur d'onde 1 mm - 1 µm nombre d'onde cm-1 1 kJ/mol (forces de Van der Waals) - 100 kJ/mol (liaisons covalentes) phénomène microscopique = vibration moléculaire

21 SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE
les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques typiquement : longueur d'onde nm nombre d'onde cm-1 phénomène microscopique = niveaux d'énergie électroniques 300 nm 800 nm

22 SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE
les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques typiquement : longueur d'onde nm 10 eV - 1 keV phénomène microscopique = ionisation rayonnements ionisants risques : cancers, mutations

23 SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE
les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques typiquement : 1 keV keV phénomène microscopique = ionisation rayonnements ionisants risques : cancers, mutations

24 SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE
les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques typiquement : 100 keV - 1 MeV phénomène microscopique = ionisation + phénomènes nucléaires rayonnements ionisants risques : cancers, mutations

25 SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE
les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques viennent du cortège électronique viennent du noyau

26 SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE
les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques

27 QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS
SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUE TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

28 STATISTIQUE DE BOLTZMANN
récipient avec des billes au repos

29 STATISTIQUE DE BOLTZMANN
récipient avec des billes (secoué)

30 STATISTIQUE DE BOLTZMANN
récipient avec des billes (secoué très fort)

31 STATISTIQUE DE BOLTZMANN
à l'équilibre énergie

32 STATISTIQUE DE BOLTZMANN
les niveaux les plus bas sont les plus peuplés

33 STATISTIQUE DE BOLTZMANN
l'énergie d'agitation thermique (kT) permet d'aller dans les niveaux excités

34 STATISTIQUE DE BOLTZMANN
énergie

35 STATISTIQUE DE BOLTZMANN
énergie

36 STATISTIQUE DE BOLTZMANN
énergie

37 STATISTIQUE DE BOLTZMANN
énergie

38 STATISTIQUE DE BOLTZMANN
énergie

39 QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS
SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUE TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

40 TRANSITION ENTRE NIVEAUX
niveau excité différence d'énergie DE niveau fondamental

41 TRANSITION ENTRE NIVEAUX
absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

42 TRANSITION ENTRE NIVEAUX
absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

43 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : absorption
DE

44 TRANSITION ENTRE NIVEAUX
absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

45 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : émission spontanée
DE

46 TRANSITION ENTRE NIVEAUX
absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

47 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : émission stimulée
DE DE

48 TRANSITION ENTRE NIVEAUX
absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

49 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : absorption

50 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : transition non radiative

51 TRANSITION ENTRE NIVEAUX
absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

52 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER
DE

53 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

54 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

55 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

56 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

57 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

58 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

59 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

60 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

61 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

62 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER
niveau surpeuplé DE

63 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER
DE

64 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER
DE

65 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER
DE

66 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER
DE

67 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER
absorption = pompage désexcitation spontanée (émission spontanée) émission induite (stimulée) = lumière LASER

68 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

69 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

70 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

71 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER
CARACTÉRISTIQUES DE LA LUMIÈRE LASER : monochromatique cohérente (tous les photons sont en phase) rayons quasiment parallèles grande intensité spectre : infrarouge  ultraviolet APPLICATIONS MÉDICALES DE LA LUMIÈRE LASER : chirurgie (ORL, ophtalmo, dermato, gynéco…) analyses biologiques (imagerie des structures superficielles)

72 TRANSITION ENTRE NIVEAUX
absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

73 TRANSITION ENTRE NIVEAUX
absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

74 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LUMINESCENCE
1- on éclaire 2- désexcitation 3- rayonnement de plus basse énergie = luminescence

75 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LUMINESCENCE
fluorescence : la luminescence s'arrête dès qu'on arrête l'éclairement luminescence phosphorescence : la luminescence continue lorsqu'on arrête l'éclairement

76 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LUMINESCENCE
exemples : aiguilles des montres phosphorescentes substances fluorescentes qui émettent une lumière (jaune…) lorsqu'elles sont éclairées en UV (ophtalmologie, biologie…)

77 TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LUMINESCENCE
1- on éclaire 1- on excite 2- désexcitation chimiluminescence… 3- rayonnement de plus basse énergie = luminescence

78 QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS
SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUE TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

79 INTRODUCTION 300 nm 800 nm

80 INTRODUCTION niveaux d'énergie (noyaux / atomes / molécules) = quantifiés physique quantique : complexe transitions entre niveaux  photons d'énergies spécifiques spectre = spécifique de l'atome ou de la molécule spectroscopie = méthode d'analyse

81 E INTRODUCTION énergie du photon = spectre
énergie du photon = spectre énergie de l'atome (molécule…)

82 E INTRODUCTION En fait, il existe des règles de sélection
liées à la physique quantique et toutes les transitions ne sont pas possibles (transitions interdites) le détail de ces règles est compliqué et hors programme du PCEM 1 énergie de l'atome (molécule…)

83 énergie du photon = spectre
INTRODUCTION énergie du photon = spectre

84 énergie du photon = spectre
INTRODUCTION énergie du photon = spectre

85 QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS
SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUE TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

86 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES
K n = 1

87 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES
L n = 2

88 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES

89 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES

90 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES
énergie limite électron lié / électron libre K n = 1

91 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES
énergie limite électron lié / électron libre L n = 2

92 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES
énergie limite électron lié / électron libre M n = 3

93 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES
énergie limite électron lié / électron libre N n = 4

94 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES
énergie limite électron lié / électron libre électrons libres

95 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES
atome d’hydrogène atome hydrogénoïde autre plus complexe

96 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES
énergie de l'électron

97 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES
L n = 2 énergie limite électron lié / électron libre K n = 1 l’électron gagne de l’énergie un photon est absorbé

98 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES
L n = 2 énergie limite électron lié / électron libre K n = 1 l’électron perd de l’énergie un photon est émis

99 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES
atome d'hydrogène énergie série de Lyman > 10 eV U.V. K n = 1

100 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES
atome d'hydrogène énergie série de Balmer ~ 2 eV visible (première découverte) L n = 2

101 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES
atome d'hydrogène énergie M n = 3 série de Paschen < 1 eV I.R.

102 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES MOLÉCULAIRES
énergie niveaux électroniques moléculaires (~ 100 nm = cm-1 = UV) vibrations des molécules (~ 10 µm = 1000 cm-1 = IR) rotations des molécules (~ 1 mm = 10 cm-1 = µ-ondes) × 100 × 100

103 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES MOLÉCULAIRES : électronique
couches électroniques atomiques : K, L, M… couches électroniques moléculaires : s, p, s*, p* ordre de grandeur : ~ 10 eV soit ~ 100 nm (U.V.) parfois domaine du visible : molécules colorées (groupements -NO2, -C=O, -N=N…)

104 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES MOLÉCULAIRES : électronique
orbitales moléculaires s s* p p* L K K L orbitales atomiques

105 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES MOLÉCULAIRES : électronique
chromophores : groupes absorbant une énergie spécifique ex : thymidine, guanoside, adénosine, cytidine (UV) TYR, TRY (UV) flavine (bleu) NADP/NADPH (violet) groupe >C=C< : absorbe autour de 180 nm (UV) groupe >CC< : absorbe autour de 190 nm (UV) groupe >C=C=C< : absorbe autour de 225 nm (UV)

106 NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES MOLÉCULAIRES : électronique
photodissociation : le passage à un état électronique moléculaire excité rompt la liaison covalente et dissocie la molécule

107 QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS
SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUE TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

108 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE
absorption amplitude atténuée émission fluorescence Raman diffusion avec changement de fréquence

109 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption
raies (bandes) d'absorption

110 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption

111 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption
énergie de l'atome (molécule…) énergie du photon = spectre raies (bandes) d'absorption

112 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption
transmittance absorbance

113 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption
% transmittance Ho2O3 longueur d'onde (nm)

114 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption
loi de Beer-Lambert

115 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption
loi de Beer-Lambert : coefficient d'absorption molaire dépend de la substance et de la fréquence du rayonnement absorbance :

116 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption
loi de Beer-Lambert si mélange de plusieurs substances :

117 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption

118 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption
APPLICATIONS : absorption X/UV pour les niveaux électroniques (atomiques ou moléculaires) absorption IR pour les niveaux de vibration moléculaire absorption micro-ondes ou IR pour les niveaux de rotation moléculaire INCONVÉNIENT : forte absorption des micro-ondes, IR et UV lointains par l'eau limites pour les solutions aqueuses (spectre visible et proche UV)

119 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption
eau

120 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption
FENÊTRE DE L’EAU : problème similaire aux hautes énergies (1-5 keV)

121 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission

122 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission
fluorescence chromosomes

123 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission
fluorescence 1- on éclaire 2- désexcitation 3- rayonnement de plus basse énergie = luminescence

124 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission
fluorescence 2- désexcitation 1- autre apport d'énergie (réaction chimique, chauffage…) 3- rayonnement = luminescence

125 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission
apport d'énergie (ex : éclairement UV) spectre d'émission

126 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission

127 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission

128 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission

129 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission
APPLICATIONS : détection de substances en faible concentrations (raies lumineuses sur fond noir) chimiluminescence (réactions chimiques qui provoquent une émission lumineuse : dosages biologiques)

130 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman
effet Raman Stokes lumière incidente simple diffusion (Thomson-Rayleigh) effet Raman anti-Stokes

131 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman
simple diffusion (Thomson-Rayleigh)

132 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman
effet Raman Stokes DE

133 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman
effet Raman anti-Stokes DE

134 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman
est la fréquence Raman positive pour anti-Stokes négative pour Stokes

135 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman
"fréquence" incidente

136 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman
la fréquence détectée est autour de la fréquence émise (ici : visible = traverse l'eau) la fréquence Raman correspond aux énergies de transition (ici IR = absorbé par l'eau)

137 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman

138 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman

139 DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman
APPLICATIONS : permet de travailler dans des énergies qui traversent l'eau (IR absorbé par l'eau) permet de détecter les rotations/vibrations des molécules apolaires

140 QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS
SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUE TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

141 APPLICATIONS DE LA SPECTROSCOPIE
analyse qualitative de la composition de molécules atomes : Li, Fe, Na, … liaisons : C=C, C=O, CH3,… groupements : thymidine, …, TYR, TRY,… détection de substances (ex : CO, aéroports,…) analyse quantitative (dosages: lithium, oxygénation du sang) mesures de pH dosages biologiques par chimiluminescence suivi de vitesses de réaction mesures (ex : longueurs des liaisons chimiques) analyse de la composition des calculs rénaux

142 rayonnement visible (686 nm)
APPLICATIONS coefficient d’extinction molaire rayonnement visible (686 nm) rayonnement IR (920 nm) Hémoglobine oxygénée eOV = 273 cm-1.L.mol-1 eOI = 1224 cm-1.L.mol-1 Hémoglobine réduite eRV = 2188 cm-1.L.mol-1 eRI = 777 cm-1.L.mol-1

143 APPLICATIONS résolution : calculer : disparaît on en déduit :