Avant-propos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Notation. Constantes. Unités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I. Évolution de la notion d’atome1. L’atomisme dans l’Antiquité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. L’atomisme de la Renaissance à la fin du XIXe siècle . . . . . . . . . 3. Situation de la physique en 1900 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. L’atomisme moderne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
II. Les grandeurs fondamentales de la physique atomique1. Le nombre d’Avogadro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. La charge de l’électron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. La masse de l’électron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Déviation électrostatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Déviation magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c. Méthodes des paraboles de Thomson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
III. Introduction à la relativité1. Principes généraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Fondements de la théorie classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. La mécanique de Galilée - Newton et ses insuffisances . . . . . . c. Relativité de la notion de distance et de temps . . . . . . . . . . . . . 2. Transformation de Lorentz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Conséquences de la relativité restreinte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Variation de la masse avec la vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Équivalence masse-énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c. Quantité de mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IV. Caractère discontinu du rayonnement1. Le corps noir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Qu’est-ce qu’un corps noir ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Les différentes lois classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c. La loi de Planck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. L’effet photoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Description du phénomène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. La théorie d’Einstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. L’effet Compton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Description du phénomène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. La théorie de Compton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c. L’électron de recul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
V. Structure de l’atome1. Le noyau et les électrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Le modèle globulaire de J. J. Thomson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Les expériences de Geiger et Mardsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c. La théorie de Rutherford . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . d. L’expérience de Barkla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Les niveaux d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Potentiel d’ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Potentiels de résonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c. Production des rayons X et loi de Moseley . . . . . . . . . . . . . . . .
VI. L’atome d’hydrogène dans la théorie de Bohr1. Bilan des connaissances en 1913 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Loi de Planck et ancienne théorie des quanta . . . . . . . . . . . . . . . b. Structure atomique et photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. La théorie de Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Insuffisance du modèle classique de l’atome . . . . . . . . . . . . . . . b. Les postulats de Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Interprétation et applications du modèle de Bohr . . . . . . . . . . . . . a. Interprétation physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Applications du modèle de Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Insuffisance de la théorie de Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Insuffisance de la théorie de Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. La théorie de Sommerfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
VII. Introduction à la mécanique ondulatoire1. Situation de la physique atomique en 1925 . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Insuffisance de l’ancienne théorie des quanta . . . . . . . . . . . . . . b. Le principe de correspondance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Dualité onde - corpuscule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. La relation de Louis de Broglie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Caractéristiques de l’onde associée au corpuscule . . . . . . . . . . c. L’expérience de Davisson et Germer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . d. Interprétation de la dualité onde - corpuscule . . . . . . . . . . . . . . e. Les relations d’incertitude de Heisenberg . . . . . . . . . . . . . . . . . f. Influence de la mesure sur le corpuscule . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. L’équation de Schrödinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Propriétés de la fonction d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Particule dans un potentiel scalaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c. L’équation de Schrödinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
VIII. L’atome d’hydrogène dans la théorie quantique1. Équation de Schrödinger du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Recherche des états « s » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Équation de Schrödinger pour les fonctions d’onde b. Recherche des solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c. Normalisation des fonctions d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . d. Détermination des solutions complètes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e. Interprétation physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Recherche des états « p » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Équation de Schrödinger pour les fonctions d’onde b. Recherche des solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c. Normalisation des fonctions d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . d. Détermination des solutions complètes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Remarques et notations spectroscopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Recherche des états « d » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Récapitulation des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c. Notations spectroscopiques et règles de sélection . . . . . . . . . . .
IX. Moment angulaire et spin de l’électron1. Moment angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Valeur propre et fonction propre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Opérateurs du moment angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c. Valeurs propres du moment angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . d. Quantification dans l’espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Le spin de l’électron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Insuffisance de la théorie quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Addition des moments angulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c. Généralisation et nomenclature des états . . . . . . . . . . . . . . . . . .
X. Propriétés magnétiques de l’atome1. Propriétés magnétiques de l’atome isolé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Moments magnétiques de l’électron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Interaction spin-orbite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.
Propriétés magnétiques de l'atome placé dans un champ a. Précession de Larmor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Effet Zeeman normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.
Propriétés magnétiques de l'atome placé dans un champ a. Diamagnétisme et paramagnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Expérience de Sterne et Gerlach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XI. Atomes à plusieurs électrons1. Principe de Pauli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Hamiltonien d’un atome à plusieurs électrons . . . . . . . . . . . . . . b. Principe d’exclusion de Pauli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Classification périodique des éléments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. Principe de la classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b. Exemples d’application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c. Saturation des couches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Notes historiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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xi xi
1 2 9 9
13 17 20 20 24 28
31 31 33 35 36 40 40 43 46
47 47 49 52 54 54 58 61 61 64 68
73 73 75 76 88 90 90 92 96
99 99 102 107 107 110 112 112 114 119 119 119
123 123 123 125 125 127 129 130 132 133 134 134 135 142
145 146 148 150 151 152 154 157 158 158 159 159 159 161
165 165 166 168 171 174 174 175 179
181 181 183 185 187 191 193
199 199 201 204 204 204 206
208 210
219
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