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Août 23

Introduction

 I.1. Theorie de la relativite restreinte:

Les écrits d’ Albert EINSTEIN (né en 1879 à Ulm, Allemagne,  mort en 1955 à Princeton, Etats-Unis) datent de 1905, l’ année de toutes les révolutions: première révolution russe en janvier 1905, fusillade du « 9 » (calendrier « julien ») ou « 22 » (calendrier « grégorien »),  janvier 1905 à Saint-Pétersbourg,  mutinerie du cuirassé  POTEMKINE en Mer Noire, séparation de l’ Eglise et de l’ Etat en France…..
Il n’ avait alors que… 26 ans. Le talent n’ attend pas forcément le nombre des années…
La mécanique dite « classique », datant de GALILEE, de  NEWTON, se trouvait incapable de décrire correctement les objets se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière, dont EINSTEIN démontre qu’ elle ne peut être dépassée. 
Masse et énergie sont reliées par une formule condensée qui a fait le tour du monde:
E = m.c2
La masse m d’ un objet n’ est plus un invariant. Elle est reliée à la masse m 0, au repos, par la relation:
m = 
où v désigne la vitesse de l’ objet.
EINSTEIN a reçu le Prix NOBEL de Physique en 1921 pour ses travaux.
EINSTEIN a quitté l’ Allemagne en 1933, au moment de la prise du Pouvoir par les nazis. 
Durant la Seconde Guerre mondiale il prit une  part active dans le programme entamé par ROOSEVELT de construction de la bombe atomique, dont la première tomba sur Hiroshima le 6 août 1945. 
Après la Seconde Guerre mondiale,  au moment de la guerre froide,  il a largement contribué à défendre la Paix et à montrer que les savants ne sont pas forcément responsables des utilisations qui sont faites par d’ autres de leurs découvertes: bref, sur un même registre,  faut-il en vouloir aux Chinois d’ avoir inventé la poudre alors que cette dernière servait pour faire, à l’ origine, des…. feux d’ artifice? 
Questions de philosophie à méditer par chacun d’ entre nous…. 

I.2. Effet photoelectrique:

Cet effet a été découvert par le physicien allemand HERTZ ( cf les ondes « hertziennes ») vers 1885.
On irradie par une lumière monochromatique, de fréquence n croissante,  une plaque métallique reliée à un électromètre à cadran, déchargé à l’ instant initial.
L’ électromètre commence à se charger au-delà d’ une fréquence n0. Les deux branches de l’ électromètre s’ écartent, signe de la présence d’ électricité de même nature dans les plaques.
Que s’ est-il passé?
Lorsqu’ on éclaire une plaque métallique et qu’ on procède à un balayage en fréquence pour la lumière on obtient une émission d’ électrons à partir d’ une fréquence-seuil n0 qui est caractéristique du métal utilisé. C’ est EINSTEIN qui a apporté cette explication à l’ expérience de HERTZ. Il s’ était écoulé environ 20 ans entre les deux événements….
D’ après EINSTEIN la lumière est porteuse de grains de matière, les « quanta », appelés aussi « photons », porteurs chacun d’ une énergie W qui est égale au produit de deux termes: la constante de PLANCK et la fréquence de la radiation.
W = h.n
La constante de PLANCK vaut 6.62.10-34 J.s  et n, la fréquence de la radiation,  est exprimée en hertz, symbole Hz, dans le système SI.
Ces grains d’ énergie viennent, selon EINSTEIN, cogner contre les atomes métalliques de la plaque de l’ électromètre et, s’ ils ont suffisamment d’ énergie, arrachent des électrons de la plaque, d’ où la production d’ électricité.
C’ est ce qui constitue l’ effet « photoélectrique », c’ est à dire la production, grâce à la lumière, d’ électricité.
Si l’ on éclaire une plaque métallique avec une lumière monochromatique de fréquence n supérieure à la fréquence-seuil n0, le surcroît d’ énergie par rapport au travail d’ extraction W0, tel que:
W= h.n0
est dissipé sous forme d’ énergie cinétique prise par les électrons:
apportée par les photons monochromatiques = h.n = h.n0 + 0.5.m.v2
L’ effet photoélectrique est très utilisé dans les systèmes d’ alarme qui équipent bon nombre d’ établissements en contact avec le public. Le passage d’ une personne là « où il ne faut pas » déclenche toutes les alarmes….
Là aussi, cette expérience, son explication, ont provoqué une véritable révolution: jusqu’ alors la lumière avait été décrite comme un phénomène de nature « ondulatoire »: durant tout le XIX° siècle, de FRESNEL à YOUNG, la lumière était considérée comme un système d’ ondes.
Il apparaît alors que la lumière est aussi « corpusculaire », c’ est à dire composée de « grains ».
C’ est cet aspect corpusculaire qui a permis de comprendre ultérieurement l’ effet COMPTON, par exemple.
On parle alors pour la lumière d’ aspect « dual », de « dualité onde-corpuscule »: deux choses en une même chose.
Pour l’ heure les physisciens n’ ont pas réussi à expliquer par une seule même théorie ce qu’ est la lumière. Selon les besoins on privilégie l’ aspect « ondulatoire » de la lumière, et selon d’ autres moments, on privilégie plutôt l’ aspect « corpusculaire ».
Il y a encore du pain sur la planche….

I.3. Expérience de RUTHERFORD:

La mise en évidence des électrons a été faite à la fin du XIX° siècle: expérience de THOMSON, tube cathodique de CROOKES.
Il restait à élucider la structure de l’ atome dont l’ existence n’ était plus remise en question à cette époque.
Vers 1908 RUTHERFORD expliquait une expérience réalisée précédemment qui se révéla fondamentale.
Remarque préliminaire: il faut savoir que la découverte de la radioactivité naturelle par Henri BECQUEREL, Pierre et Marie CURIE en 1898, avait déjà permis de se procurer des particules alpha, c’ est à dire des ions He2+, à partir de matériaux divers.
Lorsqu’ on bombarde une feuille d’ or, d’ épaisseur voisine du micromètre, par une source émettrice de particules alpha, on constate que la majorité des particules passe à travers la feuille. 
Toutefois, il n’ en demeure pas moins que certaines particules sont violemment déviées et retournent du côté de la source.
A partir de ces deux constatations, deux conclusions ont été tirées: 
1. L’ atome est essentiellement constitué de vide: d’ où le fort taux de passage des particules alpha à travers la feuille d’ or. 
2. L’ atome, électriquement neutre, est constitué d’ une partie chargée positivement, qui est très petite: c’ est ce qui explique la répulsion forte, quoique rare au plan statistique, des particules alpha, de même nature électrique que le « noyau ».
Ainsi donc, il y a dans l’ atome un « noyau », positif, tout petit, autour duqsuel gravite un nuage négatif, constitué d’ électrons.
Reste désormais à élucider comment tournent ces électrons autour du noyau….

I.4. Spectre d’ émission des atomes:

Indépendamment de ces expériences on avait mis en évidence à cette époque le spectre d’ émission de certains atomes d’ éléments chimiques. 
C’ était le cas notamment pour l’ hydrogène.
Quand on excite, sous une forte différence de potentiel, des molécules de dihydrogène on peut obtenir une quantité appréciable d’ atomes d’ hydrogène excités et collecter, puis analyser, la lumière émise à l’ aide d’ un élément dispersif comme un prisme ou un réseau.
On constate alors, de même que pour d’ autres éléments chimiques, qu’ on obtient un spectre cannelé de raies, ce qu’ on appelle un spectre « discret », et non pas un spectre continu, comme celui émis par la lumière solaire.
Pourquoi l’ hydrogène émet-il un spectre « discret » de lumière?
Niels BOHR allait permettre de comprendre cet aspect discontinu des propriétés de la matière.
 

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Categories: chimie

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