Fiche de révision : Ondes électromagnétiques et structure atomique

📋 Plan du Cours

1. Nature ondulatoire des rayonnements
2. Caractéristiques et spectres ondulatoires
3. Dualité corpusculaire et photons
4. Applications et classification des ondes
5. Histoire et échelles de la matière
6. Atomes, nucléides et isotopes
7. Tableau périodique et applications médicales
8. Particules et interactions fondamentales

📖 1. Nature ondulatoire des rayonnements

🔑 Notions clés & Définitions

• Onde électromagnétique : Propagation couplée de champs électrique et magnétique sinusoïdaux, de même période et de même longueur d’onde, perpendiculaires entre eux.

📝 Points essentiels

• La propagation d’une onde électromagnétique est rectiligne, perpendiculaire au plan défini par les champs électrique et magnétique, et sa vitesse est constante dans un milieu donné.

💡 Astuce mémo

E et B sont perpendiculaires, la propagation leur est perpendiculaire

📖 2. Caractéristiques et spectres ondulatoires

★ À maîtriser

📐 Formule — Dans le vide, la célérité vaut $c=3\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}$ et la fréquence vérifie $\nu=\frac{1}{T}$.

📐 Formule — La longueur d’onde vérifie $\lambda=cT=\frac{c}{\nu}$ et s’exprime en mètres.

• Le spectre solaire est continu avec une intensité maximale entre 400 et 800 nm, tandis que le spectre d’émission de l’hydrogène est un spectre de raies comprenant notamment la série de Balmer.

Compléments

📌 Une onde monochromatique possède une seule fréquence, tandis qu’une onde polychromatique en possède plusieurs.

📖 3. Dualité corpusculaire et photons

🔑 Notions clés & Définitions

• Photon : Corpuscule constituant un paquet discontinu d’énergie électromagnétique, se propageant en ligne droite à la célérité de l’onde associée.

★ À maîtriser

📐 Formule — L’énergie d’un photon vérifie $E=h\nu$ avec $h=6{,}62\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}$. — Planck

📐 Formule — Pour une onde se propageant dans le vide, l’énergie photonique en électron-volts vérifie $E(\mathrm{eV})=\frac{hc}{\lambda}=\frac{1240}{\lambda(\mathrm{nm})}$. — Planck

📌 L’effet photoélectrique montre que des électrons sont arrachés par l’énergie des photons ultraviolets, et non par l’intensité de l’onde, puisqu’une lumière rouge plus intense ne produit pas le même effet. — Einstein

Compléments

• Un électron-volt vaut $1\ \mathrm{eV}=1{,}602\times10^{-19}\ \mathrm{J}$.

💡 Astuce mémo

Fréquence élevée → énergie photonique élevée

📖 4. Applications et classification des ondes

★ À maîtriser

📌 L’aspect ondulatoire prédomine pour les rayonnements de faible énergie et de grande longueur d’onde, tandis que l’aspect corpusculaire prédomine pour les rayons de forte énergie et de longueur d’onde voisine de la dimension atomique.

• Les rayons X sont utilisés en radiologie, les rayons γ en scintigraphie et les ondes radiofréquences en résonance magnétique.

• La lumière visible possède des longueurs d’onde comprises entre 400 et 800 nm, les ultraviolets ont une longueur d’onde inférieure à 400 nm et les infrarouges une longueur d’onde supérieure à 800 nm.

Compléments

• La photographie et les dosifilms utilisent le noircissement de films contenant des halogénures d’argent, qui augmente avec l’énergie reçue ou l’irradiation.

💡 Astuce mémo

X en radiologie, γ en scintigraphie, radiofréquences en IRM

📖 5. Histoire et échelles de la matière

★ À maîtriser

• Les quatre éléments fondamentaux sont:

  • la terre
  • l’eau
  • l’air
  • le feu

• L’Univers contient 5 % de matière ordinaire baryonique, 25 % de matière sombre et 70 % d’énergie noire.

Compléments

• En 1969, Gell-Mann a proposé la théorie des quarks.

• Les échelles indiquées vont de plus de 10^27 m pour l’Univers à 10^-18 m pour les quarks, avec l’atome autour de 10^-10 m et le noyau autour de 10^-15 m.

💡 Astuce mémo

Grecs → Lavoisier → modèles atomiques → quarks

📖 6. Atomes, nucléides et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Constitué d’un noyau positif composé de protons et de neutrons, autour duquel se trouvent des électrons négatifs.

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour un nucléide, le nombre de masse vérifie $A=Z+N$, où A est le nombre de nucléons, Z le nombre de protons et N le nombre de neutrons.

📌 Deux nucléides sont isotopes si leur Z est identique, isotones si leur N est identique, isobares si leur A est identique et isomères si seuls leurs états d’excitation diffèrent avec A et Z identiques.

Compléments

• Les protons possèdent une charge positive de même valeur absolue que celle de l’électron, tandis que les neutrons sont électriquement neutres.

💡 Astuce mémo

A = Z + N

📖 7. Tableau périodique et applications médicales

★ À maîtriser

• Le tableau périodique classe les éléments par numéro atomique croissant, ce qui fait apparaître une périodicité de propriétés comme le rayon atomique, le potentiel d’ionisation et l’électronégativité.

• La scintigraphie utilise un nucléide radioactif associé à une molécule biologique vectrice, notamment 201Tl, 123I ou 99mTc, tandis que la TEP utilise majoritairement C, N, O, F et Ga.

• L’IRM exploite les propriétés magnétiques de H, He, Na et P avec le Gd comme produit de contraste, tandis que la radiologie utilise Ba et I stables comme produits de contraste.

• Les isotopes 123I, 125I et 131I sont respectivement utilisés pour l’imagerie thyroïdienne, la radioimmunoanalyse et la radiothérapie métabolique des cancers thyroïdiens.

Compléments

• Le tableau contient 115 éléments, dont 90 naturels, comprenant 81 éléments stables et 9 radioactifs, ainsi que 25 éléments artificiels.

💡 Astuce mémo

Stable pour le contraste, radioactif pour l’imagerie fonctionnelle ou la thérapie

📖 8. Particules et interactions fondamentales

★ À maîtriser

📌 Les particules élémentaires comprennent six leptons et six quarks ; les quarks up et down constituent notamment les protons et les neutrons.

• Les quarks ne sont jamais observés seuls et se regroupent en hadrons, notamment les baryons formés de trois quarks et les mésons formés d’un quark et d’un antiquark.

• 🔄 L’annihilation entraîne: la rencontre d’une particule et de son antiparticule, leur disparition, leur transformation en énergie pure

• Les quatre interactions fondamentales sont:

  • l’interaction électromagnétique
  • l’interaction nucléaire forte
  • l’interaction nucléaire faible
  • l’interaction gravitationnelle

Compléments

• La masse du proton est environ 2000 fois celle de l’électron, et le neutron est légèrement plus lourd que le proton.

• L’interaction électromagnétique est transmise par les photons et a une portée illimitée, l’interaction forte par les gluons et une portée subatomique, l’interaction faible par les bosons et une portée subatomique, et l’interaction gravitationnelle par les gravitons avec une portée illimitée.

📊 Tableaux de synthèse

Relations entre nucléides