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Module : MODULE PHYSIQUE IV Élément de Module : Élément 1 : Techniques Spectroscopiques

Module : MODULE PHYSIQUE IV Élément de Module : Élément 1 : Techniques Spectroscopiques (Cours : 18 h, TD : 14 h, TP : 8 h) Farid BENABDELOUAHAB. E-mail: benabdelouahab@hotmail. com PH-IV Techniques spectroscopiques 1

 ﻣﻠﺘﻘﻰ ﻣﺤﺒﻲ ﺍﻟﻔﻴﺰﻳﺎﺀ PH-IV Techniques spectroscopiques 2

ﻣﻠﺘﻘﻰ ﻣﺤﺒﻲ ﺍﻟﻔﻴﺰﻳﺎﺀ PH-IV Techniques spectroscopiques 2

1. Tronc commun national S 1 S 2 S 3 S 4 PH-IV -

1. Tronc commun national S 1 S 2 S 3 S 4 PH-IV - Langue 1 : 60 h - Méthodologie : 20 h Physique I - Mécanique 1 : 40 h Thermodyna mique I : 40 h Mathématique s. I -Algèbre 1 : 40 h -Analyse 1 : 40 h Chimie Générale I Atomistique : 40 h Liaison chimique: 40 h - Langue 1 : 40 h - TEC : 40 h Physique II - Electricité 1 : 40 h - Optique 1 : 40 h Mathématique s II - Algèbre 2 : 40 h - Analyse 2 : 40 h Chimie Générale II: - Réaction chimique : 40 h - Thermochimie : 40 h Physique III Math III - Electricité 2 : 40 h - Optique 2 : 40 h - Math pour Ph: 80 h - Cristallographie : 40 h - Tech. Spectroscopique s : 40 h Physique V - Electronique de base : 40 h - Analyse numérique Programmati on : 40 h Physique VI - Mécanique 2 : 40 h - Mécanique Quantique : 40 h Physique VII - Electricité 3 : 40 h - Thermodynamique 2 : 40 h - Langue 2 : 40 h - Informatique 1 : 40 h - Langue 2 : 40 h - Informatique 2 : 40 h Techniques spectroscopiques Physique IV 3

Physique IV Pré requis : Chimie II. - Elément 1 : Techniques Spectroscopiques (Cours

Physique IV Pré requis : Chimie II. - Elément 1 : Techniques Spectroscopiques (Cours : 18 h, TD : 14 h, TP : 8 h) Objectif : Doter les étudiants de connaissance de base sur les principes des techniques spectroscopiques. Contenu : Présentation des différents types d'interaction matière-rayonnement Spectroscopie moléculaire : UV visible, Infrarouge, RMN du proton. - Elément 2 : Cristallographie (Cours : 18 h, TD : 14 h, TP : 8 h) Cet élément de module a pour objectifs de : Acquérir les connaissances et les compétences spécifiques de cristallographie géométrique : mailles, rangés, réseaux, … Des séances de TP permettront d'illustrer et de fixer les connaissances acquises. Contenu : Réseaux cristallins : - Notions de mailles, - Rangées, plans, Indices de Miller , - Réseaux de Bravais Empilements : - Empilements compacts (cubique faces centrées, hexagonal compact) - Empilements semi compacts Structures ioniques : - Structures ioniques de type MX (Cs. Cl, Na. Cl, …) - structures de type MX 2 : fluorine Ca. F 2 et antifluorine, rutile Ti. O 2… - structure en couche : type Cd. Cl 2, Cd. I 2 Structures ioniques complexes : type MO 3, type AMO 3, type spinelle AM 2 O 4. . . PH-IV Techniques spectroscopiques 4

Cours et TD Interaction matière-rayonnement Ø Caractère discontinu du rayonnement. Ø Corps noir. Ø

Cours et TD Interaction matière-rayonnement Ø Caractère discontinu du rayonnement. Ø Corps noir. Ø Modèle de Bohr pour l’atome d’hydrogène. Ø Spectre du rayons X. Introduction à la Spectroscopie UV visible. Ø Spectroscopie Infrarouge. Ø Spectroscopie RMN du proton. Ø Travaux Pratiques: l l PH-IV Corps noir. RMN du proton Spectromètre Infrarouge. Expérience de Franck-Hertz. Effet photoélectrique. Techniques spectroscopiques 5

Chapitre I Caractère discontinu du rayonnement. Le comportement de la propagation de la lumière

Chapitre I Caractère discontinu du rayonnement. Le comportement de la propagation de la lumière ( interférence, diffraction ) avaient été bien expliqués par la théorie continue des ondes électromagnétique de Maxwell ( 1900). Nous allons proposer l’étude de quelques exemples de rayonnement qui font échec a cette description. PH-IV Techniques spectroscopiques 6

1) Le corps noir. On remarque lorsque un corps est porté à une certaine

1) Le corps noir. On remarque lorsque un corps est porté à une certaine température, il rayonne de l’énergie. Nous pouvons déduire l’énergie ou la densité d’énergie émise par unité de volume du corps. u = f(T) u : densité d’énergie émise; T : température du corps qui rayonne. On remarque aussi que lorsque la température d’un corps augmente (métal), la coloration du rayonnement émis évolue pour passer du rouge au bleu au fur et à mesure que sa température augmente. PH-IV Techniques spectroscopiques 7

violet bleu vert jaune orange rouge λ en nm 450 nm 500 nm 570

violet bleu vert jaune orange rouge λ en nm 450 nm 500 nm 570 nm 590 nm 610 nm Nous déduisons donc que la densité d’énergie émise dépends également de la fréquence des ondes lumineuses engendrées. On écris que : u = f ( ) On peut aussi écrire d’une manière globale : u = f(T, ) Vu la complexité du problème, puisqu’elle fait intervenir à la fois des phénomènes thermiques et optiques. Pour répondre à cette complexité, il faut définir un modèle strict un corps rayonnant idéal que l’on appelle « corps noir » . « fin 1 ere séance » PH-IV Techniques spectroscopiques 8

Le corps noir : Le corps noir est. . . Noir ? D'où vient

Le corps noir : Le corps noir est. . . Noir ? D'où vient le terme corps noir ? L'étude de quelques documents permet de comprendre cette dénomination. Notons tout d'abord que l'examen du spectre visible, qui ne comporte aucune partie noire et brillante, rappelle que le noir est, plutôt qu'une couleur, une absence de couleur. Un corps absorbant apparaît noir. PH-IV Techniques spectroscopiques 9

Les différents détecteurs, qui ont pour fonction de capter la lumière visible, apparaissent noirs

Les différents détecteurs, qui ont pour fonction de capter la lumière visible, apparaissent noirs : ils ne réfléchissent guère la lumière ! Les détecteurs optiques ont pour mission de rendre compte de l'information lumineuse. Cette opération nécessite l'absorption des photons. La figure de quelques détecteurs, dont la pupille de l'œil . humain, montre qu'effectivement ils apparaissent noirs PH-IV Techniques spectroscopiques 10

Définition Un corps noir est un corps idéal totalement absorbant à toute radiation électromagnétique.

Définition Un corps noir est un corps idéal totalement absorbant à toute radiation électromagnétique. Un exemple de corps noir consiste en une enceinte isotherme munie d'une toute petite ouverture observation rayonnement observation PH-IV Techniques spectroscopiques 11

Rayonnement du corps noir Les caractéristiques d'un rayonnement sont liées aux conditions physico-chimiques de

Rayonnement du corps noir Les caractéristiques d'un rayonnement sont liées aux conditions physico-chimiques de la matière : composition, pression, température. . . La température est la mesure de l'agitation (l'énergie cinétique) des constituants d'un milieu. Elle se mesure en température absolue sur l'échelle Kelvin (K), le point zéro y désignant une agitation cinétique nulle. Elle vaut la température Celsius (°C), augmentée de 273. 15 : T(K) = T(°C) + 273. 15 PH-IV Techniques spectroscopiques 12

En première approximation, une étoile peut être assimilée à un corps noir (presque) parfait

En première approximation, une étoile peut être assimilée à un corps noir (presque) parfait ; la perte en énergie rayonnée restant négligeable devant celle contenue à l'intérieur de l'étoile. Les lois déterminant l'état de la matière dans un corps noir s'appuient sur des études théoriques et expérimentales. Elles définissent : la distribution de la luminance en fonction de la longueur d'onde (loi de Planck) ; la longueur d'onde à laquelle la luminance est maximale (loi de Wien) ; l'énergie totale du rayonnement (loi de Stefan). PH-IV Techniques spectroscopiques 13

Portraits de: (1) Max PLANCK (1858 - 1947), (2) Wilhelm WIEN (1864 - 1928)

Portraits de: (1) Max PLANCK (1858 - 1947), (2) Wilhelm WIEN (1864 - 1928) et (3) Josef STEFAN (1838 - 1893). PH-IV Techniques spectroscopiques 14

La loi de Stefan En 1879, à partir de résultats expérimentaux, Josef STEFAN (1838

La loi de Stefan En 1879, à partir de résultats expérimentaux, Josef STEFAN (1838 1893) détermine une loi empirique décrivant que l'énergie totale (E) émise par seconde et par unité de surface (S) d'un corps noir est proportionnelle à la puissance quatre de sa température (T) : E = S σ T 4. où σ est la constante de Stefan et vaut : 5. 67 × 10 -8 W m-2 K-4 En considérant une étoile sous la forme d'une sphère rayonnant comme un corps noir, cette relation devient : E = 4π R 2 σ T 4, avec S = 4π R 2. PH-IV Techniques spectroscopiques 15

Pour deux étoiles présentant la même température de surface, la plus grosse émettra plus

Pour deux étoiles présentant la même température de surface, la plus grosse émettra plus d'énergie. T T R 1 E= (4πR 12). σ. T 4 PH-IV R 2 E= (4πR 22). σ. T 4 Techniques spectroscopiques 16

Pour une variation double de la température, une étoile émettra seize fois plus d'énergie

Pour une variation double de la température, une étoile émettra seize fois plus d'énergie à rayon égal. T 1 = T R E 1= (4πR 2). σ. T 4 T 2 = 2 T R E 2= (4πR 2). σ. (2 T)4 = (4πR 2). σ. 24. (T)4 = 16. (4πR 2). σ. (T)4 PH-IV Techniques spectroscopiques 17

La loi de Stefan permet donc de retrouver la dimension d'une étoile, il faut

La loi de Stefan permet donc de retrouver la dimension d'une étoile, il faut cependant mesurer la puissance de l'énergie sur toute la bande spectrale, une étoile émettant bien au-delà du spectre visible. En 1884, Ludwig BOLTZMANN (1844 - 1906) apportera une confirmation théorique en retrouvant la loi de Stefan à partir des relations fondamentales de la thermodynamique. Pour cette raison, cette relation est également connue sous le nom de loi de : Stefan-Boltzmann. PH-IV Techniques spectroscopiques 18

Josef STEFAN (1838 - 1893): Physicien autrichien né à Sankt Peter près de Klagenfurt

Josef STEFAN (1838 - 1893): Physicien autrichien né à Sankt Peter près de Klagenfurt et mort à Vienne. Les travaux Originaux de Josef Stefan, intéressant des domaines importants de la physique, comprennent la théorie cinétique des gaz, l'hydrodynamique et surtout la théorie du rayonnement. Après des études à l‘Université de Vienne où il obtient son doctorat en 1858, il devient professeur de physique en 1863, puis directeur de l'Institut de physique (1866). PH-IV Techniques spectroscopiques 19

Ludwig Boltzmann (1844 -1906) : Physicien autrichien. Il est considéré comme le père de

Ludwig Boltzmann (1844 -1906) : Physicien autrichien. Il est considéré comme le père de la physique statistique et un fervent défenseur de l'existence des atomes. Boltzmann, à l'aide de son équation cinétique dite « de Boltzmann » , a théorisé de nombreuses équations de mécanique des fluides. Ludwig Boltzmann obtient son doctorat sur la théorie cinétique des gaz à l'Université de Vienne en 1866. Il entretint des échanges, parfois vifs, avec les physiciens à propos de ses travaux. Malheureusement, il entraîna des crises de dépression et une 3 eme tentative de suicide près de Trieste lui était fatale, Boltzmann meurt avant même d’avoir vu ses idées s’imposer. PH-IV Techniques spectroscopiques 20

La loi de Wien Si cette relation température-couleur permet de retrouver facilement la température

La loi de Wien Si cette relation température-couleur permet de retrouver facilement la température d'un corps lorsque l'on a déterminé le maximum d'émission, à l'inverse, il est également possible de découvrir le maximum d'émission à partir d'une température. λmax = (2. 90 × 10 -3) / T Exemple: La température du corps humain est de 37. 5 °C, T(K) = T(°C) + 273. 15 = 37, 5 + 273, 15 soit environ 310 K. On a donc : λmax = (2. 90 × 10 -3) / 310 = 9. 35 × 10 -6 m ou 9350 nm. Le maximum d'émission du corps humain se fait donc dans l'infrarouge. PH-IV Techniques spectroscopiques 21

En analysant des spectres de corps noirs à différentes températures, Wilhelm WIEN (1864 -

En analysant des spectres de corps noirs à différentes températures, Wilhelm WIEN (1864 - 1928) découvre, en 1893, que la distribution de leurs émissions passe par un maximum, ce dernier étant inversement proportionnel à la température. Wilhelm WIEN (1864 - 1928) l'université de Göttingen puis de Berlin. À partir de 1883, il prépare sa thèse sous la direction d'Hermann von Helmholtz et obtient son doctorat en 1886. Il publia en 1896 la loi de Wien, qui précise la répartition spectrale du rayonnement du corps noir pour les courtes longueurs d'onde. PH-IV Techniques spectroscopiques 22

Plus la température devient élevée, plus la longueur d'onde du pic d'émission diminue (la

Plus la température devient élevée, plus la longueur d'onde du pic d'émission diminue (la fréquence et l'énergie augmentent). Cette relation « température-couleur » s'exprime ainsi : λmax = (2. 90 × 10 -3) / T avec la longueur d’onde (λ) et la température (T) exprimées dans le Système International d'unités. Pour le Soleil, le maximum d'émission se situe vers 500 nm (lumière jaune-verte), sa température de surface vaut : 500 nm = (2. 90 × 10 -3) / T T = (2. 90 × 10 -3) / (0. 50 × 10 -6) = 5 800 kelvins. T(K) = T(°C) + 273. 15 en degrés c’est 5527°C PH-IV Techniques spectroscopiques 23

Tout corps dont la température diffère du zéro absolu (0 Kelvin, ou – 273°

Tout corps dont la température diffère du zéro absolu (0 Kelvin, ou – 273° Celsius) émet un rayonnement électromagnétique propre. En fait, cette loi n’est parfaitement vérifiée que pour le « corps noir » (parfaitement émissif et parfaitement absorbant), PH-IV Techniques spectroscopiques 24

L'observation de spectres stellaires, à basse résolution spectrale montre que l'allure de ces spectres

L'observation de spectres stellaires, à basse résolution spectrale montre que l'allure de ces spectres suit effectivement celle d'un corps noir. PH-IV Techniques spectroscopiques 25

La loi de déplacement de Wien La représentation de la superposition de plusieurs spectres

La loi de déplacement de Wien La représentation de la superposition de plusieurs spectres de corps noir permet de faire le lien entre la température du corps noir et la longueur d'onde où a lieu l'émission maximale. On peut vérifier que les maxima sont simplement alignés, dans un diagramme en échelle logarithmique. PH-IV Techniques spectroscopiques 26

Courbes de lumière de corps noirs stellaires La couleur de chacun des luminances spectrales

Courbes de lumière de corps noirs stellaires La couleur de chacun des luminances spectrales représentées rappelle la température de couleur de l'objet. Les maxima s'alignent sur une droite. PH-IV Techniques spectroscopiques 27

On en déduit la relation reliant température de la figure , abscisse du maximum,

On en déduit la relation reliant température de la figure , abscisse du maximum, et la , en tenant compte de l'échelle logarithmique : en relation affine avec implique ces 2 termes sont en fait inverse l'un de l'autre. PH-IV Techniques spectroscopiques 28

PH-IV Techniques spectroscopiques 29

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La loi de déplacement de Wien: ou fait le lien entre une température et

La loi de déplacement de Wien: ou fait le lien entre une température et une longueur d'onde, et crée un lien entre une température et une couleur, ce qui permet de définir la température liée à la couleur de l'objet : Température et couleur PH-IV Corps noir Température (K) M Domaine spectral étoile type O 50 000 60 nm UV soleil 6 000 0. 5 m visible Terre 300 10 m IR nuage moléculaire 20 0. 15 mm submm fond cosmologique 3 1 mm mm Longueur d'onde du maximum d'émission pour différents objets assimilables à des corps noirs Techniques spectroscopiques 30

La loi de Planck Max PLANCK (1858 - 1947) est l'auteur d'une théorie des

La loi de Planck Max PLANCK (1858 - 1947) est l'auteur d'une théorie des quanta d'énergie (1900) et l'applique avec succès à l'explication du rayonnement du corps noir. Il suppose que l'échange d'énergie entre matière et rayonnement se fait de façon discontinue, par quanta. Ces quanta (ε) sont proportionnels aux fréquences ( ) du rayonnement : ε=h h (constante de Planck), une constante de proportionnalité valant : h = 6. 62 × 10 -34 joules·s-1 PH-IV Techniques spectroscopiques 31

La loi de Planck décrit l'émission d'un corps noir de température Dans le système

La loi de Planck décrit l'émission d'un corps noir de température Dans le système d'unités international, s'exprime en ou en unité dérivée. : , est une luminance spectrale, càd une puissance rayonnée par unités d'angle solide, de surface et spectrale. PH-IV Techniques spectroscopiques 32

Le dénominateur de la loi de Planck est caractéristique d'une loi statistique de Bose-Einstein,

Le dénominateur de la loi de Planck est caractéristique d'une loi statistique de Bose-Einstein, à laquelle obéit un gaz de photons. Comme tout vecteur d'interaction fondamentale (l'interaction électromagnétique), le photon est un boson, une particule de spin entier. La fonction dépend aussi de la température comme de la longueur d'onde. . La loi de Planck peut se réécrire aussi en fonction de la fréquence : L'unité de PH-IV est alors en: Techniques spectroscopiques 33

Max Planck, le sixième enfant d'une vieille famille de la haute bourgoisie. à Munich

Max Planck, le sixième enfant d'une vieille famille de la haute bourgoisie. à Munich en 1867, Max Planck fait son secondaire. Il décide, en 1874, de suivre les cours de mathématiques et de physique à l'université. En 1877, à Berlin, il a étudié sous la direction de Helmholtz et de Kirchhoff. L'un et l'autre le déçoivent par leurs mauvais cours et c'est ce qui décide Planck à travailler seul, par la lecture et l'étude. En 1879, il passe sa thèse "sur les états d'équilibre des corps isotropes aux différentes températures", ce qui l'habilite à enseigner à l'université. Il est appelé à Berlin en 1889, après la mort de Kirchhoff sur la recommandation de Helmholtz. PH-IV Techniques spectroscopiques 34

La loi de Planck permet de donner la distribution de l'énergie selon la longueur

La loi de Planck permet de donner la distribution de l'énergie selon la longueur d'onde (ou couleur). Les courbes décrivant cette distribution se retrouvent toujours sous une même forme « en cloche » et incluses les unes dans les autres. Pour chaque longueur d'onde, la luminance augmente avec la température. Avec son quantum d'énergie introduit de façon arbitraire, cette théorie de quantification de l'énergie, vue comme simple artifice de calcul à ses débuts, permet d'intégrer les lois précédentes et deviendra vite une pièce maîtresse de la mécanique quantique. PH-IV Techniques spectroscopiques 35

Schématisation de la distribution de l'énergie de corps noirs à trois températures différentes. En

Schématisation de la distribution de l'énergie de corps noirs à trois températures différentes. En fonction de la température et de la longueur d'onde, le schéma ci-dessus montre pour trois étoiles : la forme caractéristique « en cloche » de la distribution de luminance (loi de Planck) ; le déplacement du pic d'émission (loi de Wien) ; l'énergie totale rayonnée représentée par l'aire sous la courbe (loi de Stefan). PH-IV Techniques spectroscopiques 36

PH-IV Techniques spectroscopiques 37

PH-IV Techniques spectroscopiques 37

Une brillante étude théorique fait par Rayleigh et Jeans fait en parallèle des travaux

Une brillante étude théorique fait par Rayleigh et Jeans fait en parallèle des travaux de Lummer et Wien de forme u(T, ) = 3 [(8 k/c 3). T/ ] trouve un bon accord aux résultats expérimentaux dans le domaine des faibles fréquences (Infrarouge); par contre pour les grandes fréquences, le désaccord est total : la théorie ne prévoit pas la présence d’un maximum. U(T, ν) Catastrophe des UV Résultat de Rayleigh et Jeans Résultat expérimental ν PH-IV Techniques spectroscopiques 38

On vérifie alors qu’un corps porté à une température T rayonne sur toue une

On vérifie alors qu’un corps porté à une température T rayonne sur toue une partie du spectre visible. Si on augmente la température du corps, le maximum d’énergie émis se déplace vers les plus grandes fréquences. Fin de 2 eme séance PH-IV Techniques spectroscopiques 39

Conclusion : suite PH-IV Techniques spectroscopiques 40

Conclusion : suite PH-IV Techniques spectroscopiques 40

Le modèle théorique de Planck permet de comprendre le comportement du corps noir et

Le modèle théorique de Planck permet de comprendre le comportement du corps noir et de retrouver les lois classiques. Le « quantum d’énergie » a été introduit brutalement, mais ce type de raisonnement est extrêmement puissant. D’autres exemple vont renforcer ce raisonnement (effet photoélectrique, effet Compton. . ). PH-IV Techniques spectroscopiques 41

►Josef STEFAN (1838 - 1893). E = S σ T 4 ► Ludwig BOLTZMANN

►Josef STEFAN (1838 - 1893). E = S σ T 4 ► Ludwig BOLTZMANN (1844 - 1906) apportera une confirmation théorique en retrouvant la loi de Stefan ► Wilhelm WIEN (1864 - 1928) λmax = (2. 90 × 10 -3) / T ► Max PLANCK (1858 - 1947) ε = h , Puissance rayonnée PH-IV Techniques spectroscopiques 42

2) PH-IV Techniques spectroscopiques 43

2) PH-IV Techniques spectroscopiques 43

L’effet photoélectrique fut découvert par hasard par Heinrich Hertz. Il n’accorda cependant pas beaucoup

L’effet photoélectrique fut découvert par hasard par Heinrich Hertz. Il n’accorda cependant pas beaucoup d’attention à ce phénomène En 1888, Halbwachs réalise l’expérience de l’électroscope. Il charge un électroscope négativement : les feuilles d’or, chacune porteuse de charge négatives sont écartées l’une de l’autre d’un angle . Si on éclaire une plaque de zinc qui est en contact avec l’électroscope avec de la lumière ultraviolette, l’électroscope se décharge et les feuilles d’or se rapprochent. Halbwachs en déduit alors que des charges négatives sont arrachées par la lumière. U. V. Plaque de zinc Électroscope Feuilles d’or PH-IV Techniques spectroscopiques 44

Électroscope déchargé Lampe émettant à λ = 254 nm Électroscopes chargé Plaque de cuivre

Électroscope déchargé Lampe émettant à λ = 254 nm Électroscopes chargé Plaque de cuivre PH-IV Techniques spectroscopiques 45

Einstein publia en 1905 un article portant sur l’analyse de l’effet photoélectrique (qui lui

Einstein publia en 1905 un article portant sur l’analyse de l’effet photoélectrique (qui lui valut le prix Nobel en 1921), dans lequel il montrait qu’une onde lumineuse (ou toute autre onde électromagnétique) de fréquence peut être considérée comme un flux de photons (le photon désigne un quantum). PH-IV Techniques spectroscopiques 46

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PH-IV Techniques spectroscopiques 50

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h 3 - = Ec 3 = e. V 03 E 0 h 3

h 3 - = Ec 3 = e. V 03 E 0 h 3 - E = Ec 3 =e. V 02 0 h 3 - E 0 = Ec 3 =e. V 01 PH-IV Techniques spectroscopiques 51

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Fin 3 eme séance PH-IV Techniques spectroscopiques 54

Fin 3 eme séance PH-IV Techniques spectroscopiques 54

PH-IV Techniques spectroscopiques 55

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PH-IV Techniques spectroscopiques 60

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PH-IV Techniques spectroscopiques 61

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3) PH-IV Effet Compton Techniques spectroscopiques 62

3) PH-IV Effet Compton Techniques spectroscopiques 62

PH-IV Techniques spectroscopiques 63

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PH-IV Techniques spectroscopiques 64

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PH-IV Techniques spectroscopiques 65

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PH-IV Techniques spectroscopiques 66

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PH-IV Techniques spectroscopiques 67

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Photoelectric Effect The energy of the gamma-ray photon is completely transferred to an orbital

Photoelectric Effect The energy of the gamma-ray photon is completely transferred to an orbital electron which is ejected from its atom. photoelectric effect is more likely to occur when the photon energy is low, i. e. below 0. 5 Me. V. shows an example of photoelectric effect. PH-IV Techniques spectroscopiques 68

Compton Effect Higher energy photons may lose only part of their energy to the

Compton Effect Higher energy photons may lose only part of their energy to the atomic electron which is again ejected from its atom. This electron goes on to create ionisation as before. The remaining energy is taken up by another photon of reduced energy which is scattered in a new direction. The new photon will either be absorbed by a photoelectric effect, or if the energy is still high by further Compton scattering occurs in all materials and predominantly with photons of medium energy, i. e. about 0. 5 to 3. 5 Me. V. shows an example of Compton scattering. PH-IV Techniques spectroscopiques 69

PH-IV Techniques spectroscopiques 70

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Effet Compton L’effet Compton décrit la diffusion de photons sur des électrons libres. En

Effet Compton L’effet Compton décrit la diffusion de photons sur des électrons libres. En général, les électrons sont liés dans la matière; si l’énergie de liaison est très faible devant l’énergie du photon incident, on peut considérer que l’électron est libre : Processus : Énergie du photon diffusé : PH-IV angle de diffusion Techniques spectroscopiques 71

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Effet Compton La longueur d’onde du rayonnement diffusé est : Longueur d’onde du photon

Effet Compton La longueur d’onde du rayonnement diffusé est : Longueur d’onde du photon incident, ’ est celle du photon diffusé h/m c = Longueur d’onde Compton = 0. 0243 Ǻ m =9. 11. 10 Kg 0 C 0 -31 Si E est l’énergie incidente, E’ du photon diffusé est : L’énergie cinétique W acquise par l’électron au cours du choc est W = E-E’ PH-IV Techniques spectroscopiques 74

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Énergie cinétique des électrons éjectés L’énergie prise par l’électron est maximale lorsque celle du

Énergie cinétique des électrons éjectés L’énergie prise par l’électron est maximale lorsque celle du photon diffusé est minimale : Donc l’énergie cinétique devient : PH-IV Techniques spectroscopiques 76

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