Introduction
 
La physique décrit les phénomènes naturels observables dans tous les milieux, que ce soit mécanique, nucléaire, thermique, cosmique, électriques, ou autre.

Des relations mathématiques permettent de quantifier les phénomènes électriques. Il est important de ne pas perdre de vue que ces relations mathématiques ne sont que des " outils " qui découlent du comportement de la matière, donc de l’atome.

L’objectif de ce chapitre est de proposer une approche pragmatique de la physique atomique.



Les atomes
 
Les physiciens du début du siècle ont montré que la matière est formée de petites entités appelées atomes.
Un atome est un ensemble de minuscules grains de matière , appelés particules élémentaires ou particules fondamentales. Il y a :
les protons
et
les neutrons
 Ce sont les constituants du noyau d'où leur nom de nucléons.
les électrons Ils tournent autour du noyau et forment le nuage électronique.



Particules élémentaires
 
 
Les particules se différencient les unes des autres par :

leur masse et leurs charges électriques

Dans le cas de l'électricité, seule leur charge électrique nous intéresse.
Particule
symbole
charge électrique
proton
p+
+ 1
neutron
n
0
électron
e-
- 1


Le noyau de l'atome
 
Le noyau de l'atome est formé de :

 protons, de charges électriques positives
neutrons sans charges électriques (neutre)
Le noyau de l'atome est toujours positif



Nombre atomique Z
 
 
Définition :
On appelle nombre atomique ou numéro atomique Z, 
le nombre de protons du noyau.

Les propriétés chimiques, physique et électrique d'un atome sont liées au nombre de protons du noyau, qui détermine le nombre d'électrons du nuage électronique.



Masse atomique A
 
 
Définition :

On appelle masse atomique ou nombre de masse atomique A le nombre de protons et de neutrons du noyau.

 
Remarque :    le nombre de neutrons correspond à : A - Z
Eléments chimiques
Numéro atomique Z
Masse atomique A
Nombre de protons
Nombre de neutrons
Nombre d'électrons
Hydrogène
1
1
1
0
1
Hélium
2
4
2
2
2
Carbone
6
12
6
6
6
Cuivre
29
64
29
35
29
Aluminium
13
27
13
14
13
Argent
47
108
47
61
47

Nuage électronique
 

Le nuage électronique.

 
Le nuage électronique est formé d'électrons tournant à grande vitesse autour du noyau selon des trajectoires très complexes. Nous devons la représentation ci-dessous au physicien danois Niels BOHR ( 1885 - 1962 ).
Les électrons sont répartis sur les couches selon les quantités suivantes :
K  Þ  2
L   Þ   8
M   Þ   18
N   Þ   32
O   Þ  50
P   Þ   72
Q   Þ  98
  
Le nuage électronique est composé d'électrons donc sa charge électrique
est toujours négative.


Couches périphériques
 
 
Définition :

 C'est la couche la plus extrême d'un atome.  Ses électrons sont appelés

ELECTRONS PERIPHERIQUES ou ELECTRONS DE VALENCE.

La couche périphérique d'un atome ne peut pas posséder plus de huit électrons.
Les propriétés électriques dépendent des électrons de la couche périphérique.
Représentation des couches périphériques.

 
Les bons conducteurs ont leur dernière couche incomplète. Ils céderont facilement leurs électrons.

Les isolants ont leur dernière couche saturée ou presque saturée. Ils accepteront peu d'électrons.

Certains matériaux ont autant d'électrons à prendre qu'à donner pour avoir leurs couches saturées. Ces matériaux portent le nom de semi-conducteurs. Ces matériaux sont des éléments dont la dernière couche est formée de 4 électrons. Ils sont dits tétravalents. Le silicium et le germanium sont les semi-conducteurs les plus utilisés.



Electrons libres
 
L'atome possède, dans son état normal, autant de protons que d'électrons. Il est électriquement neutre.

Les électrons, quelle que soit l'orbite sur laquelle ils se situent, sont attirés par les protons du noyau. En effet, les électrons, de charge négative, sont attirés par les protons de charge positive. La force d'attraction est fonction du nombre de protons ainsi que de la distance qui les sépare du noyau.

 
a )    Plus le diamètre de l'orbite ( K , L , M , N , etc. ) sur laquelle circulent les électrons est
       grand, plus les forces centripètes et d'attractions sont faibles.
b )    Si le nombre d'électrons de valence est petit ( plus petit ou égal à 3), la force
        d'attraction exercée par les protons sera relativement faible. Ces phénomènes
        expliquent qu'un électron de la couche périphérique puisse être attiré par d'autres
        atomes. On pourra parler d'électron libre.

 
Définition : On appelle un électron libre, un électron qui n'est plus lié à un atome.

Il y a donc une circulation d'électrons ( circuit ou pas ) ou de charges négatives.

Remarque : A chaque couche électronique correspond un niveau d'énergie bien déterminé
                  appelé bande d'énergie.

La bande de conduction, dans laquelle se trouvent les électrons libres est située au-delà de la bande de valence

 
Les bandes d'énergie



Conductibilité
 
 
Définition :

Propriété qu'ont les corps ou les milieux de transmettre plus ou moins facilement, d'un point à un autre de leur masse, la chaleur ou l'électricité.

Les électrons libres, situés dans la bande de conduction, sont dits électrons de conduction.

Exemple :

Le cuivre est un des meilleurs conducteurs de l'électricité et il est aussi le plus utilisé. Il contient environ 86× 1018 électrons libres par [mm3]. Le nickel et le tungstène contiennent environ 100 fois moins d'électrons libres par [mm3].
Dans la pratique, chaque matière va pouvoir être classée en fonction de sa facilité à donner des électrons libres.

Cette propriété est nommée conductibilité électrique. Lorsqu'on la quantifie, on la nomme conductivité.

Pour symboliser cette grandeur, le système international SI a donné la lettre grecque g (gamma).

Pour abréger l'unité, le système SI a admis les symboles suivants :

Par opposition, nous pouvons quantifier la matière selon sa retenue au passage des électrons libres. Cette propriété porte le nom de résistivité.

Le tableau suivant indique le nombre d'électrons libres pour différentes matières. Voir également un tableau périodique.
Matières

et symboles chimiques
Nombre d'électrons

sur la couche périphérique
Conductivité

Résistivité

Cuivre Cu
1
5.71× 107
1.75× 10-8
Aluminium Al
3
3.60× 107
2.78× 10-8
Argent Ag
1
6.06× 107
1.65× 10-8

 
Les relations mathématiques entre la conductivité et la résistivité sont les suivantes :

Usage pratique de la conductivité et de la résistivité
 
 

Dans la pratique, les unités de la conductivité g et de la résistivité r sont mal appropriées. En effet, la dimension des fils de cuivre utilisés sont d'un ordre de grandeur de quelques [mm2].

Cela implique que certains formulaires techniques donnent les valeurs de la conductivité et de la résistivité avec d'autres unités. Les symboles de grandeurs g et r ne changeant pas.
Matières

et symboles chimiques
Conductivité 
Résistivité 
Cuivre Cu
5.71× 101
1.75× 10-2
Aluminium Al
3.60× 101
2.78× 10-2



Ion
 
 
Définition :

On appelle ion, un atome ou un groupe d'atomes ayant perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. L'équilibre des charges n'est donc plus respecté et l'atome n'est plus neutre.
Cation et anion.
Le passage d'un atome à l'état de ion se nomme ionisation.

Déplacement des électrons
 
 

Un atome chargé négativement (ion négatif) a un excès d'électrons. Un atome chargé positivement (ion positif) a un manque d'électrons.

Lorsque deux atomes, de charges opposées sont à une certaine distance l'un de l'autre, il y a un phénomène d'attraction et un courant électrique circule.
Le courant électrique.
Le courant électronique (sens de passage des électrons) va de l'atome négatif vers l'atome positif.

Au début de l'étude des phénomènes électriques, il fut convenu que le courant électrique circulait du + vers le - . Malgré la découverte de la nature de l'électricité et du sens réel des électrons, le sens conventionnel du courant fut conservé. Il faut donc bien prêter attention aux indications qui suivent.

Electronvolt
 
 

L'unité d'énergie couramment utilisée en physique des particules n'est pas le joule mais l'électronvolt eV.

Définition :

Un électron, charge d'électricité négative e=1.6× 10-19 [C], possède une énergie cinétique Wc de 1 eV quand, en supposant au préalable l'électron immobile dans un champ électrique, il a parcouru, sous l'influence du champ, l'intervalle séparant 2 points dont la différence de potentiel est de 1 volt.
Dans la pratique, on peut dire que 1 eV correspond à l'énergie acquise par un électron accéléré par une différence de potentiel électrique de 1 [V].



Vitesse de propagation
 
 
La vitesse de la lumière c , dans le vide, est la référence de comparaison des phénomènes physiques.

Nous admettrons après développement que :



Vitesse de l'électron
 
 
La vitesse de l'électron est plus faible que celle de la lumière. Elle est de quelques [mm× s-1] ou de quelques milliers de [km× s-1] ceci en fonction du milieu dans lequel l'électron circule.
Déplacement et vitesse de l'électron.



Formes de dégagement d’énergie
 
 
Selon la représentation de Bohr, lorsqu'un électron quitte son orbite pour en rejoindre une autre, ou qu'il y a un mouvement entre orbites, il y a un dégagement d'énergie.

Cette énergie se présente sous plusieurs formes :

 
1 Agitation des molécules provoquant un échauffement de la matière appelé énergie calorifique.
2 Un photon, particule se déplaçant à la vitesse de la lumière c (voir théorie d'Einstein), peut céder de l'énergie à un électron. Si l'énergie acquise par l'électron et la direction dans laquelle il se déplace lui permettent de changer d'orbite, cette orbite est instable et le retour de l'électron à sa couche initiale donne un rayon lumineux.
3 Les électrons sont également animés d'une rotation sur eux-mêmes et sur leur orbite. Ce phénomène s'appelle le spin de l'électron et il est responsable du magnétisme. Dans la plupart des cas, les électrons sont groupés par paire. L'un tournant dans le sens trigonométrique (inverse des aiguilles d'une montre) et l'autre tournant dans le sens horaire. La résultante de ces rotations est nulle.
4 L'effet chimique est une transformation de l'atome. Nous l'étudierons plus tard par ses applications pratiques



Documentaire
 
Niels BOHR

Physicien danois

Copenhague, 1885 - Copenhague, 1962

Prix Nobel de physique en 1922
A élaboré une théorie de la structure de l'atome intégrant le modèle planétaire de lord Ernest Rutherford (1871-1937) et le quantum d'action de Max Planck (1858-1947).

A établi le "principe de complémentarité" où un objet quantique peut être décrit, selon les conditions expérimentales, soit en termes d'ondes, soit en termes de particules.
 (Sources : Université Laval, Québec, Canada)

 
 
 
Albert EINSTEIN

Physicien allemand, naturalisé suisse puis américain.

Ulm, 1879 - Pronceton 1955

Prix Nobel de physique en 1921

 
Créateur de la théorie de la relativité. Il y développe l'idée de l'équivalence entre la masse et l'énergie, d'où la relation : E = m × c2 .