A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901...

42
A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d ’un écran de platinocyanure de Baryum B) ONDE ELECTROMAGNETIQUE : 10 -9 - 6 10 -12 m E: 1keV - 0.24 MeV DEFINITION ET PROPRIETES DES RAYONS X

Transcript of A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901...

Page 1: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

A) DECOUVERTE

8 NOVEMBRE 1895

Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923)

Prix Nobel de Physique 1901

Étude des rayons cathodiques

luminescence d ’un écran de platinocyanure de Baryum

B) ONDE ELECTROMAGNETIQUE

: 10-9 - 6 10-12 m

E: 1keV - 0.24 MeV

DEFINITION ET PROPRIETES DES RAYONS X

Page 2: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Rappel:

Une ONDE correspond à la propagationde l’énergie suivant l’équation

Une Onde électromagnétique obeit enplus aux équations de Maxwell qui lientles champs électriques et magnétiques

2

22

2

2tc

x

LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES

Page 3: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Définition physique d ’une onde électromagnétique:

Propagation d ’un champ électrique et d ’un champ magnétique oscillants

c = 300 000 km/s = 3 108 m/s

Page 4: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Propriétés des ondes électromagnétiques

• Transporte de l ’énergie

• E = h (Planck- Einstein)

h = 6. 6 10-34 J s

Page 5: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Comment produire des ondes électromagnétiques?

• En faisant varier la vitesse d ’une charge électrique.

• Loi de Hertz:

• L ’énergie des ondes électromagnétiques est proportionnelle au carré de la charge et au carré de l ’accélération et inversement proportionnelle au cube de la vitesse de la lumière.

Page 6: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Rayonnement d'un dipôle électrique oscillant

Lignes de force du champ électrique produit par un dipôle électrique oscillant

Z

Page 7: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Spectre des ondes électromagnétiques

12 eV

Page 8: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Aspect corpusculaire: photons

p

h

c

Ehkp

p

h

c

Ehkp

Page 9: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Nuage électroniqueLa probabilité de trouver une particule est décrite parla fonction d’onde (x) dans l’intervalle autour de x :

avec

Equation Schrödinger

m = masse de la particuleEp(x) = énergie potentielleE = énergie totale =

Page 10: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Les 4 nombres quantiques

Page 11: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

b) Le moment cinétique orbital

x

z

yO

LH

IJ

Page 12: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

c) Le moment cinétique intrinsèque: SPIN

s: multiple de ½

Les moments cinétiques se combinentpour donner le moment cinétique total

J=L+S

Page 13: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Diagramme énergétiquen définit la COUCHE : K, L, M, N, O..l définit la SOUS-COUCHE: s, p, d, fj = l + s définit le NIVEAU ENERGETIQUE

n l j

33

33

3

222

1

22

11

0

110

0

5/23/2

1/2

3/2

1/2

3/2

1/21/2

1/2

série L3série L2série L1

série L

série K

4 s

M5M4

M3M2M1

L3

L2L1

1 s

3 d

3 p

3 s

2 p

2 s

N

M

L

K

Page 14: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Configuration électroniqueRemplissage des orbitales

atomiques (règle de Klechkowsky)

Page 15: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

NIVEAUX D'ENERGIE DES MOLECULES

(a) Electronic (b) Vibrational (c) Rotational (d)Translational

figure 2.7 - an illustration of the relative

separations of the energy levels of atoms and

molecules for the different types of energy. The

translational energy levels are essentially

continuous.

Page 16: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Population des niveaux d'énergieLa population des niveaux d’énergie est donnée par la

DISTRIBUTION DE BOLTZMANN

kT = énergie thermique parélément (atome, molécule)

kTEE en /

1//)(/

/

kTEkTEE

kTE

kTE

B

H eee

e

n

nHB

B

H

Page 17: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

CADRE THEORIQUEPHYSIQUE CLASSIQUE

grandeurs continuesobjets macroscopiques ( pas h)

PHYSIQUE QUANTIQUE

quantification énergiemoment cinétiquequantité de mouvement

2 théories équivalentesFonction d’onde (Schrödinger)Matricielle (Heisenberg)

NIVEAUX D’ENERGIE QUANTIFIES

Page 18: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

PRODUCTION DES RAYONS X

E

A PRINCIPES PHYSIQUES

Page 19: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.
Page 20: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

a) Rayonnement de freinageÉlectron à l ’approche du noyau présente une

attraction due à la force électrique a

322

222

30

2

30

22

ray

/cv1

/cava

c6πdt

dE

v généralefaçon de

c6π

aet

dt

dEE

q

t

Page 21: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Indicatrice d ’intensité

• Energie faible < 100 keV Imax

• Energie élevée > 1 MeV Imax

v

v

Page 22: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Interactions des électrons dans la cibleEnergie des électrons: E = eV (keV)

H H

HH

H

H

H

e- e-

e-

e- e- e- e-

e- = électron arraché

H = chaleur

= Rayon X

Page 23: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

r

I()

Page 24: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.
Page 25: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.
Page 26: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Spectre du rayonnement de freinage

= flux de photons

E)E ZiK E 0

i courant cathodiqueZ numéro atomique de la cible

max0

00 λ

chhνeVE

Page 27: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

autoabsorption

Page 28: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Représentation d ’un spectreOrdonnée: l ’énergie transportée  W1 = N1E1

W = E N

Page 29: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

2

2

λ

hcEf

dW

λ

c

λ

cν comme

dE

dWh

dW

dW

λgdλ

dW

hνfhνd

dWEf

dE

dW

Page 30: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

b) Rayonnement caractéristiqueÉlectrons cathodiques arrachent des électrons des atomes de

l ’anode

Comblement des trous perte d ’énergie résonante

Spectre de raies

Page 31: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

R

f

Z

Za

Loi de Moseley

Page 32: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Théorie de Bohr

04

1

EK

22

223

2242 112

Za

nnh

ZKme

h

EE

if

if

Effet des autres électrons: constante d ’écran

Za

Page 33: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

c) Rayonnement synchrotron

22230

22

/cv1c6π

a9

dt

dE

Rayonnement de freinage quand l ’accelération est perpendiculaire à comme dans le cas d ’une orbite circulaire

v

Orbite circulaire: rra rN222 4

Page 34: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Fig. 11-16. Rayonnement émis par une charge freinée par l'impact sur la cible A dans un tube à rayons X. La cible doit être constituée d'une substance à point de fusion élevé et doit être continuellement refroidie.

Page 35: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Fig. 11-17. Rayonnement synchrotron d'une particule se déplaçant dans un champ magnétique. La distribution angulaire de l’intensité est figurée dans deux positions. Les directions des vitesses et des accélérations sont également représentées.

Page 36: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

B ASPECTS TECHNOLOGIQUES

a) Tube de Coolidge

b) Accélérateur de Van de Graaf

c) Accélérateur linéaire

d) Cyclotron

Page 37: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Tube de coolidge

3000 t/min

Anode tournante

Page 38: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Accélérateur de Van de Graaf

Sphère creuse

sphère la de C

QV

20 000 VAlimentation à Kénotron

e-

V 5 106 V si appareil dans N² sous forte pression

Page 39: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Accélérateur linéaire

li

V = Vm sin t

Page 40: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

t3t1t2

P3

P1

P2

V

t

Ralentissement

Accélération

il1m

P1

tωsinVqF

il2m

P2

tωsinVqF

P2 en retard

V li

Page 41: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Cyclotron

B

v

q

mR

steCv

R

Durée du parcours

v

Rt

Page 42: A) DECOUVERTE 8 NOVEMBRE 1895 Wilhelm Conrad RÖNTGEN (1845 - 1923) Prix Nobel de Physique 1901 Étude des rayons cathodiques luminescence d un écran de.

Distances accélératrices 100 km

Accélération