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photon incident
photon diffusé
e –
électron
projeté
c) Effet Compton : le concept de photon
précédemment introduit fournit une explication simple de l’effet Compton : celui-ci
consiste en une diffusion de la lumière par
les électrons du milieu éclairé. En général, les électrons avec lesquels l’onde électromagnétique interagit ne sont pas libres
(ils sont liés à un atome, une molécule ou
un réseau plus complexe). Cependant, si
l’énergie du photon associé à l’onde est très
supérieure à l’énergie de liaison de l’électron, cette dernière est négligeable. Supposant cette condition réalisée, on interprète l’effet Compton comme la diffusion élastique
du photon d’énergie E = hn avec un électron libre (que nous supposerons initialement au
repos). L’effet Compton est détaillé en exercice.
Après trois exemples sur l’interaction rayonnement-matière, les deux exemples suivants
illustrent la structure de la matière. Les modèles atomiques existant à la fin du 19
e siècle
ne pouvaient expliquer des phénomènes tels que la radioactivité, l’émission de rayons X
atomiques et les spectres optiques. À la suite des travaux d’Ernest Rutherford (1911) et
des expériences de diffusion de particules a par divers matériaux, après que le concept
de noyau atomique a vu le jour, Niels Bohr proposait un modèle d’atome dans lequel les
électrons ne pouvaient avoir que des valeurs discrètes d’énergie de liaison. Ce point recevait
une confirmation expérimentale directe par l’expérience de James Franck et Gustav Hertz
en 1913.
d) Spectres optiques : l’expérience a montré qu’un atome ne peut émettre ou absorber que
des rayonnements électromagnétiques de fréquences déterminées et discrètes. En terme
de photons, il ne peut absorber ou émettre de photons qu’à des énergies discontinues
données : le spectre est un spectre de raies.
Dans le cas de l’atome d’hydrogène, il est possible de regrouper ces raies en séries, dites
séries de Balmer, selon la formule
E = R
1
m 2 −
1
n 2
où E est l’énergie des raies, R la constante de Rydberg, (énergie d’ionisation, soit 13,6
eV), et m et n deux nombres entiers. L’interprétation la plus simple consiste à admettre
que dans l’atome les états électroniques possibles ont des énergies de la forme :
E n = −
R
n 2
L’émission ou l’absorption de photons correspond alors à une transition entre deux de ces
états. Aucun des modèles atomiques en vigueur vers 1900 ne pouvait expliquer une telle
structure électronique. Le modèle planétaire (existence d’un noyau autour duquel gravitent
9. PHYSIQUE MODERNE
707
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photon incident
photon diffusé
e –
électron
projeté
c) Effet Compton : le concept de photon
précédemment introduit fournit une explication simple de l’effet Compton : celui-ci
consiste en une diffusion de la lumière par
les électrons du milieu éclairé. En général, les électrons avec lesquels l’onde électromagnétique interagit ne sont pas libres
(ils sont liés à un atome, une molécule ou
un réseau plus complexe). Cependant, si
l’énergie du photon associé à l’onde est très
supérieure à l’énergie de liaison de l’électron, cette dernière est négligeable. Supposant cette condition réalisée, on interprète l’effet Compton comme la diffusion élastique
du photon d’énergie E = hn avec un électron libre (que nous supposerons initialement au
repos). L’effet Compton est détaillé en exercice.
Après trois exemples sur l’interaction rayonnement-matière, les deux exemples suivants
illustrent la structure de la matière. Les modèles atomiques existant à la fin du 19
e siècle
ne pouvaient expliquer des phénomènes tels que la radioactivité, l’émission de rayons X
atomiques et les spectres optiques. À la suite des travaux d’Ernest Rutherford (1911) et
des expériences de diffusion de particules a par divers matériaux, après que le concept
de noyau atomique a vu le jour, Niels Bohr proposait un modèle d’atome dans lequel les
électrons ne pouvaient avoir que des valeurs discrètes d’énergie de liaison. Ce point recevait
une confirmation expérimentale directe par l’expérience de James Franck et Gustav Hertz
en 1913.
d) Spectres optiques : l’expérience a montré qu’un atome ne peut émettre ou absorber que
des rayonnements électromagnétiques de fréquences déterminées et discrètes. En terme
de photons, il ne peut absorber ou émettre de photons qu’à des énergies discontinues
données : le spectre est un spectre de raies.
Dans le cas de l’atome d’hydrogène, il est possible de regrouper ces raies en séries, dites
séries de Balmer, selon la formule
E = R
1
m 2 −
1
n 2
où E est l’énergie des raies, R la constante de Rydberg, (énergie d’ionisation, soit 13,6
eV), et m et n deux nombres entiers. L’interprétation la plus simple consiste à admettre
que dans l’atome les états électroniques possibles ont des énergies de la forme :
E n = −
R
n 2
L’émission ou l’absorption de photons correspond alors à une transition entre deux de ces
états. Aucun des modèles atomiques en vigueur vers 1900 ne pouvait expliquer une telle
structure électronique. Le modèle planétaire (existence d’un noyau autour duquel gravitent
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