:: wikimiki.org ::

Physique Du Solide

Physique du solide

La physique du solide est l'étude des propriétés fondamentales des matériaux solides, cristallins (par exemple la plupart des métaux), ou amorphes (par exemple les verres) en partant autant que possible des propriétés à l'echelle atomique (par exemple la fonction d'onde électronique) pour remonter aux propriétés à l'échelle macroscopique. Bien que celles-ci présentent parfois de fortes réminiscences des propriétés microscopiques (par ex. transitions supraconductrices dans lesquelles des propriétés quantiques se manifestent de façon spectaculaire à l'échelle macroscopique) elles se présentent la plupart du temps comme des propriétés de continuité macroscopique (domaine des milieux continus) non directement déductibles des propriétés microscopiques. Tout l'art du physicien du solide est de mettre en relation des propriétés macroscopiques parfois très banales (ou très utiles) avec le phénomène à l'origine de celles-ci, phénomène qui souvent n'est pas prépondérent à l'échelle atomique. La physique des solides présente donc de nombreux aspects :
- un aspect de physique quantique « pure et dure » adaptée au cas des solides ;
- un aspect de physique statistique ;
- un aspect de phénoménologie (par exemple dans le cas des transitions de phase dites du type Landau) ;
- un aspect géométrique et topologique (cristallographie ou utilisation des lois d'échelle) ;
- …

Physique du solide, science des matériaux : les sœurs siamoises

La délimitation est en effet de plus en plus floue entre ces deux disciplines. A l'origine, la physique du solide était une branche de la physique fondamentale, et la science des matériaux une branche de la physique appliquée. Il y a longtemps que cette distinction est caduque, sous l'effet d'une double évolution. La première évolution est celle de la physique du solide vers l'étude de systèmes de plus en plus complexes, et donc de plus en plus proches des systèmes réels et utiles. L'autre évolution est celle de la science des matériaux, qui, avec l'apparition de moyens fins d'investigation (comme par exemple le microscope électronique, qui permet une observation à l'échelle atomique) ainsi que d'élaboration (par exemple l'épitaxie, qui permet une élaboration de semi-conducteurs couche d'atomes par couche d'atomes)est parfois devenue une ingeniérie des materiaux à l'échelle atomique. Elle s'est donc s'intéressée de très près aux phénomènes à cette échelle, et a ainsi empiété largement sur le domaine de la physique fondamentale. Au total, la distinction entre ces deux disciplines relève maintenant plus d'une nuance d'approche que d'autre chose.

historique

Etant donné que les problèmes abordés par la physique du solide se manifestent à l'echelle macroscopique par une phénoménologie des matériaux, on peut se demander dans quelle mesure le premier bronze des metallurgistes de la préhistoire n'est pas à classer parmis une des premieres manifestation d'une science spécifiquement dévolue aux propriétés des solides. Rien de moins évident en effet que la combinaison deux métaux mous pour obtenir un métal dur ! On peut donc citer comme thésaurus du savoir sur les solides à la renaissance le traité d'Agricola De Re Metallica. Ensuite vient l'epoque moderne ou la science des matériaux est le parent pauvre de la physique alors dominée par la mécanique celeste. La situation change avec la révolution industrielle et l'apparition de nouveaux domaines scientifiques: electricité, thermodynamique, etc.. qui fournissent de nouveaux modèles de la matière au moment précis ou le développement de l'industrie metallurgique rend ceux-ci nécéssaires. A partir de la fin du XIX ème siècle et au cours du XXème siècle, découvertes,nouveaux outils et modèles se succèdent à un rythme accéléré: modèle de Drude, radiocristallographie, étude des propriétés des solides aux basses températures, introduction de la mécanique quantique, apparition du microscope électronique...

les grands thèmes actuels

Fonction d'onde électronique

La fonction d'onde de l'électron peut se calculer très simplement dans le cas de l'atome d'hydrogène. Lorsque plusieurs atomes interviennent, comme dans le cas d'une molécule ou d'un ion, on peut utiliser une approximation qui consiste à dire que la fonction d'onde est une combinaison linéaire (une somme pondérée) des fonctions d'onde calculées pour l'atome d'hydrogène ; c'est la théorie des orbitales moléculaires et la théorie VSEPR (valence shell electron pair repulsion). Dans le cas d'un solide, on est en présence d'un très grand nombre d'atomes, on ne peut donc plus utiliser ces modèles. Il faut, pour décrire le système, traiter aussi bien le mouvement des électrons que le mouvement des noyaux. Les travaux de deux physiciens renommés, Born et Oppenheimer, ont permis une avancée très importante dans ce domaine. Ils sont partis du constat que les noyaux sont beaucoup plus lourds que les électrons, ce qui fait que ces derniers se meuvent beaucoup plus vite. Dans un premier temps on peut supposer que les noyaux restent fixes (ici, le noyau comprend le noyau atomique proprement dit ainsi que les couches électroniques profondes, l'ensemble des noyaux constitue le réseau). Cette approximation permet de calculer les états d'énergie des électrons. Dans un deuxième temps, on étudie la dynamique des noyaux (les vibrations du réseau), c'est la théorie des phonons. Un phonon représente une vibration élémentaire du réseau. Tout comme pour le rayonnement électromagnétique où l'énergie transportée est proportionnelle au nombre de photons, l'énergie de vibration dans un solide est proportionnelle au nombre de phonons. Les phonons et les électrons peuvent interagir, cette interaction restant faible dans la plupart des matériaux. Elle ne modifie pas les états électroniques, mais induit par contre des transitions d'un état électronique à un autre. On parle de « diffusion des électrons par les phonons ». Cette interaction est à l'origine de la variation linéaire de la résistivité des métaux avec la température et de la corrélation entre conductivité électrique et conductivité thermique. Les phonons peuvent aussi interagir entre eux, c'est de cette manière que l'on explique le phénomène de dilatation.

Cas du cristal

Le modèle de base est le « gaz d'électrons libres de Fermi » : les électrons se promènent librement (gaz) mais sont des fermions, ils obéissent à la loi statistique de Fermi-Dirac (contrairement aux gaz moléculaires qui suivent une distribution de Maxwell-Boltzmann). Dans le cas d'un cristal, le problème est simplifié par la périodicité : on peut raisonnablement supposer que la fonction d'onde a la même période spatiale que le réseau cristallin. On utilise la condition BVK (Born-von Karmann) pour imposer des conditions limites à la fonction d'onde : cette condition considère que la fonction d'onde a une période égale à la largeur du réseau, c'est-à-dire que « si un électron sort par une face du cristal, il y rerentre instantanément par l'autre face ». Il faut pour comprendre ce concept se rappeler que l'électron est une onde (voir l'article Dualité onde-particule).

Voir aussi

Liens internes

- Théorie de la diffraction sur un cristal
- Onde de Bloch
- Phonons

Liens externes

- [http://ipn2.epfl.ch/LNS/lectures/solid/ Cours de physique du solide] de l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)
- [http://www.toutsurlaphysique.fr/src/articles/solides/solides.html Les solides et leurs propriétés] du site [http://www.toutsurlaphysique.fr ToutSurLaPhysique] Catégorie:Physique Catégorie:Physique de la matière condensée Catégorie:Physique du solide ja:固体物理学 ko:고체물리학

Physique

zh-min-nan:Bu̍t-lí-ha̍k als:Physik ko:물리학 ms:Fizik ja:物理学 simple:Physics th:ฟิสิกส์ La physique (du grec φυσικη) est la science de la Nature dans son sens le plus large.

Généralités

Les physiciens observent, mesurent et modélisent le comportement et les interactions de la matière à travers l'espace et le temps (définis comme « phénomènes physiques »).
- Les théories, bien établies ou non, contiennent des lois exprimées sous forme d'équations mathématiques, mais, comme toutes les théories scientifiques, ou n'importe quelles autres théories, ces théories et leurs lois peuvent être remises en cause dès qu'une expérience ne rentre pas parfaitement dans le cadre de ces lois.
- L'effort du physicien consiste à rendre le monde et tous ses aspects observables – et donc mesurables – toujours plus rationnels. Or ce n'est qu'à travers une observation approfondie d'un phénomène que l'on peut l'analyser et essayer de le comprendre, le saisir et, en quelque sorte, le transcrire.
- Approcher la compréhension d'un phénomène, un fait du réel, signifie donc expliciter les mécanismes et lois sous-jacentes qui le régissent.
- Le point de départ de la physique est donc une expérience du réel : la physique est avant tout une science expérimentale ; la physique est également une activité qui mène à une analyse théorique du fait expérimental observé. Les mathématiques sont le langage rationnel dans lequel s'expriment de façon concise et élégante les modèles des phénomènes observés.
- La physique possède une dimension esthétique : les meilleures théories sont les plus simples, le rôle du théoricien est d'arriver à une épure où l'inutile n'a pas lieu d'être. Ce qui se comprend bien, s'énonce simplement. Un formalisme mathématique adapté et qui manifeste cette forme d'esthétisme est capable d'aboutir à des prévisions, c'est-à-dire que le calcul théorique peut précéder et être vérifié par l'observation expérimentale.
- Dans ce cas, la théorie est prédictive et de ce fait validée et intègre un vaste corpus de connaissances, magma dans lequel se forgent de nouveaux concepts et de nouveaux modèles toujours plus pertinents.
- La physique trouve sa limite et son permanent renouveau naît dans l'impossibilité évidente d'atteindre un état de connaissance parfait et sans faille du réel. En effet, le phénomène, ce fait du réel qui se manifeste à nous, ne peut coïncider avec le modèle dont se revendique toute théorie physique.
- L'histoire de la physique est riche en rebondissements, en révolutions. Une expérience vient toujours mettre en défaut les « croyances » que l'on croyait à tort comme abouties, par méconnaissance de cette non-limite. Ce qui progresse quotidiennement en physique est une sorte de résolution, de finesse, avec laquelle est saisi, à l'image d'un peintre, le modèle qui se présente aux yeux de l'artiste. Cependant, le modèle ne peut se confondre avec la réalité mais juste y tendre. Le peintre surréaliste belge Magritte exprime cette limite dans son célèbre tableau, La trahison des images, où il représente une pipe et précise : Ceci n'est pas une pipe. On pourra aussi retenir l'idée d'Albert Einstein sur le travail du physicien: faire de la physique c'est comme émettre des théories sur le fonctionnement d'une horloge sans jamais pouvoir l'ouvrir.
- Le travail du physicien existe depuis toujours dans l'histoire de l'humanité dès lors qu'elle s'est mise en quête de techniques. La roue et le levier sont les premières machines que l'on ait inventées : sciences et techniques sont étroitement liées.
- Cependant, c'est par l'effort de rationalité des penseurs grecs et, par la suite, le perfectionnement des mathématiques, que la physique a pu révéler sa profondeur conceptuelle et sa portée philosophique. Le principal moteur du progrès matériel, que ce soit pour le meilleur ou pour le pire, n'est autre que la physique et ses nombreuses extensions dans tous les champs du monde réel.
- Les sciences physiques sont bien sûr en relation avec d'autres sciences, en particulier la chimie, science des molécules et des composés chimiques. La chimie et la physique partagent de nombreux domaines, tels que la mécanique quantique, la thermodynamique et l'électromagnétisme.
- Toutefois, les phénomènes chimiques sont suffisamment vastes et variés pour que la chimie soit généralement considérée comme une discipline à part entière.
- La science est souvent en conflit avec les religions du fait que la première n'admet pas de dogme et ne cherche d'explications aux phénomènes de la Nature qu'elle observe (car c'est seulement de cela que la science s'occupe) que dans la Nature elle même. Nombreux sont les scientifiques qui ont eu le statut d'hérétiques. La science ne prétend cependant pas (ou plus) être le seul moyen d'accéder à une connaissance utile. Elle reconnaît la légitimité d'autres moyens de quête de la connaissance et s'est distancée du scientisme de ses débuts.

La recherche en physique

Théorie et expérience

La culture de la recherche en physique présente une différence notable avec celle des autres sciences en ce qui concerne la séparation entre théorie et expérience. Depuis le , la majorité des physiciens sont spécialisés soit en physique théorique, soit en physique expérimentale. En revanche, presque tous les théoriciens renommés en chimie ou en biologie sont également des expérimentateurs. En première approche, les théoriciens tentent de développer des théories qui expliquent les résultats expérimentaux existants tandis que les expérimentateurs conçoivent et exécutent des expériences pour tester les prédictions théoriques. La simulation numérique occupe une place très importante dans la recherche en physique et ce depuis les débuts de l'informatique. Elle permet en effet la résolution approchée de problèmes mathématiques qui ne peuvent pas être traités analytiquement. Beaucoup de théoriciens sont aussi des numériciens.

Principales théories

Bien que la physique s'intéresse à une grande variété de systèmes, certaines théories ne peuvent être rattachées qu'à la physique dans son ensemble et non à l'un de ses domaines. Chacune de ces théories est supposée juste, dans un certain domaine de validité ou d'applicabilité. Par exemple, la théorie de la mécanique classique (ou newtonienne) décrit fidèlement le mouvement d'un objet, pourvu que ses dimensions soit bien plus grandes que celles d'un atome et que sa vitesse soit bien inférieure à la vitesse de la lumière et que l'objet ne soit pas trop proche d'une masse importante et que celui-ci soit dépourvu de charge. Les théories anciennes comme par exemple la mécanique newtonienne sont encore des sujets de recherche notamment dans l'étude des phénomènes complexes (exemple : la théorie du chaos). Elles constituent la base de toute recherche en physique et tout étudiant en physique, quelle que soit sa spécialité, est censé acquérir les bases de chacune d'entre elles. ! Théorie !! Grands domaines !! Concepts |- | Mécanique newtonienne | Cinématique - Lois du mouvement de Newton - Mécanique analytique - Mécanique des fluides - Mécanique du point - Mécanique du solide - Transformation de Galilée - Mécanique des milieux continus | Dimension - Espace - Temps - Longueur - Vitesse - Vitesse relative - Masse - Moment cinétique - Force - Énergie - Moment angulaire - Couple - Loi de conservation - Oscillateur harmonique - Onde - Travail - Puissance |- | Électromagnétisme | Electrostatique - Électricité - Magnétisme-Équations de Maxwell | Charge électrique - Courant électrique - Champ électrique - Champ magnétique - Champ électromagnétique - Onde électromagnétique |- | Physique statistique et Thermodynamique | Machine thermique - Théorie cinétique des gaz | Constante de Boltzmann - Entropie - Énergie libre - Chaleur - Fonction de partition - Température |- | Mécanique quantique | Intégrale de chemin - Équation de Schrödinger - Théorie quantique des champs | Hamiltonien - Particules identiques - Constante de Planck - Oscillateur harmonique quantique - Fonction d'onde - Énergie de point zéro |- | Théories de la relativité | Relativité galiléenne - Relativité restreinte - Relativité générale | Principe d'équivalence - Quadrivecteur - Référentiel - Espace-temps - Vitesse de la lumière - Vitesse relative |{{fr{fr{fr{fr{fr{fr{en{portail physique

Matériaux

Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.

- Un matériau, c'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et mise en œuvre en vue d'un usage spécifique.
- La nature chimique des différentes matières premières qui sont à la base des matériaux confère à ceux-ci des propriétés particulières.
- On distingue ainsi quatre grandes familles de matériaux : Les grandes classes de matériaux Les matériaux minéraux sont des roches, des céramiques ou des verres. Les matériaux métalliques sont des métaux ou des alliages de métaux. Voici quelques exemples de matériaux :
- Bois
- Chaux
- Céramiques
- Matière plastique
- Métal
- Matériau composite comme les Bétons
- Pierre
- Pigment
- Sable

Ingénierie des matériaux

La résistance des matériaux s'intéresse aux propriétés mécaniques et physiques des matériaux et à leur comportement sous l'action de forces et contraintes extérieures. Voir aussi science des matériaux.

Caractéristiques des matériaux.

Propriétés physiques

- Masse volumique. Les matériaux à masse volumique importante sont utilisés à la fabrication de contre-poids(équilibrage), volants d'inertie, etc.
Ceux à faible masse volumique sont utilisés dans l'aéronautique par exemple.
- Coefficient de dilatation. Entre en jeu, par exemple pour des matériaux soumis à des écarts de température importants.
- Chaleur massique. Utilisés dans les accumulateurs thermiques des habitations.
- Température de fusion. Matériaux appelés à fondre (fusibles)
- Module de Young
- Coefficient de Poisson
- Aspect du produit
- Surface.
- Couleur.

Articles connexes

- Tolérance, Normes, Matière
- Matériau de construction Catégorie:Science des matériaux ja:材料 simple:Material

Solide

L'état solide est un des états de la matière caractérisé par l'absence de liberté entre les molécules ou les ions (métaux par exemple). Les critères macroscopiques de la matière à l'état solide sont :
- le solide a une forme propre,
- le solide a un volume propre. Si un objet solide est si ferme, c'est grâce, entre autres, aux liaisons covalentes qui représentent les liaisons des plus fortes entre les différents composants du solide. C'est d'ailleurs ces liaisons qui lient les atomes de carbone d'un diamant. Mais il existe également les liaisons ioniques, plus faibles que les liaisons covalentes, qui permettent la liaison entre des pôles opposés (de deux aimants). Elle assure la cohésion d'un grain de sel par exemple, grâce à la liaison entre les ions de sodium et de chlorure. Cependant, il ne faut pas considérer le solide comme un état figé de la matière car avec la température, les atomes vibrent autour de leur position d'équilibre. Les solides ont une faible dilatation mais une bonne compressibilité. La plupart des solides sont des cristaux, et le modèle du cristal permet de se faire une bonne idée de l'état solide : les atomes sont disposés dans l'espace de manière régulière et ordonnée. Les distances entre les atomes restent constantes. Cependant, certains solides dit « amorphes » n'ont pas des atomes bien rangés comme pour les cristaux, par exemple le verre.

Voir aussi

- gaz ~ liquide
- cristal
- Solides usuels Catégorie:Physique ja:固体 ko:고체 ms:Pepejal simple:Solid

Verre

Cet article traite du verre en tant que matériau. Voir aussi la page d'homonymie Verre (homonymie). Dans le langage courant, le mot verre sert à désigner un matériau dur, fragile (cassant) et transparent. Dans le langage scientifique, le mot verre est un matériau amorphe (c'est-à-dire non cristallin) présentant le phénomène de transition vitreuse. L’état physique résultant est appelé état vitreux. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO₂) et de fondants.

Histoire du verre

Le verre est connu depuis le troisième millénaire avant J.C. au Moyen-Orient et en Égypte. Pour plus de détail, voir Histoire du verre.

Verre et biologie

L'espèce vivante la plus grosse productrice de verre n'est pas l'homme, mais la famille des diatomées. En effet, ces algues unicellulaires sont protégées par une coque de verre aux formes surprenantes et délicates. Bien qu'on ignore encore le détail de la synthèse à partir des silicates présents dans l'eau de mer, il s'agit bien de verre. Constituant du plancton, la masse de ce verre est considérable et bien supérieure à la production humaine. Cette fabrication a lieu dans des conditions physiques liées à la chimie douce, c’est-à-dire qu’elle ne nécessite pas de température, ni de pression élevées. L'intérêt majeur du verre pour la diatomée est de ne pas faire obstacle à la photosynthèse en laissant passer la lumière. Il est synthétisé très rapidement au moment de la méïose.

Applications du verre

Le verre est utilisé essentiellement en optique pour ses propriétés réfringeantes(lentilles, vitres, verres de lunettes). Il est également utilisé en chimie et dans l'industrie agroalimentaire : il réagit très peu avec la plupart des composés utilisés dans ces domaines, c'est donc un matériau idéal pour les contenants (bouteilles, pots de yaourt, béchers, erlenmeyers, colonne de distillation, éprouvettes, tubes à essai...). Un des seuls liquides ayant le pouvoir de dissoudre le verre est l’acide fluorhydrique (HF). Le verre est le matériau dans lequel sont confinés les déchets nucléaires de haute activité (HAVL). Le verre est aussi un matériau de construction très important dans l'architecture moderne et dans l'industrie automobile. Il est notamment présent sous forme de laine de verre, isolant léger, imputrescible et ininflammable. Les utilisations artistiques du verre sont innombrables depuis les origines. Elles ont accompagné de nombreuses innovations techniques (pâte de verre, fusing, thermo-formage, etc.). Dans de nombreuses applications, le verre est actuellement remplacé par des polymères (plastiques).

Industrie du verre

Pour la fabrication du verre plat (verre à vitre, par exemple), voir Industrie du verre. Au niveau industriel, le verre subit souvent des traitements de surface (le plus souvent des dépôts) afin que le matériau final soit plus dur, anti-reflet (application: verres de lunettes) ou hydrophobe (application: pare-brises). Des traitements thermiques permettent d'améliorer la résistance des pièces: les vitres latérales et arrières des automobiles comme certaines pièces d'ameublement sont trempées par un refroidissement rapide et contrôlé; le plus souvent à l'aide d'air. Les pare-brises de voiture sont en verre feuilleté (sandwich verre-plastique). Ainsi, lors d'un choc, le pare-brise se casse moins facilement. De plus, le pare-brise se casse à angle droit, ce qui rend les morceaux moins coupants, et donc moins dangereux.

Techniques artisanales du verre

voiture La verrerie constitue également une activité artisanale.
- Verre soufflé Les souffleurs de verre font chauffer une boule de verre au bout d'une canne (tube métallique creux), et soufflent dans cette canne pour faire gonfler le verre et réaliser le vide intérieur. Puis, ils étirent, aplatissent, percent cette boule pour lui donner sa forme finale. Une fois durci, certains le dépolissent pour réaliser des motifs.
- Pâte de verre Le moule de la pièce à réaliser est fabriqué en un matériau réfractaire (à base de kaolin par ex.) selon diverses techniques dont la cire perdue par ex. Après cuisson, selon des paliers de chauffe destinés à éviter les fissures, le moule est refroidi et garni de poudres ou de granulés de verres colorés diversement selon le décor recherché. Une nouvelle cuisson à lieu et, après refroidissement, le moule est détruit délicatement par un moyen chimique ou mécanique pour dégager la pièce dont la forme et les couleurs auront été parfaitement contrôlées. Cette technique a été attribuée par la légende aux Égyptiens. Plus vraisemblablement, elle dut être inventée presque simultanément par Henri Cros, François Décorchemont et Georges Desprets dans la deuxième partie du . Amalric Walter, Gabriel Argy-Rousseau s'y sont illustrés. Aujourd'hui, une vingtaine d'artistes dans le monde, plus ou moins alchimistes et jaloux de leur savoir faire, s'y adonnent encore. On compte parmi eux les frères Antoine et Étienne Leperlier (petits fils de Décorchemont), Keith Brokelhurst, Diana Hobson, la maison Daum, etc.
- Thermoformage Cette technique consiste à poser à froid une (ou plusieurs) feuille de verre, éventuellement colorée, sur un réfractaire dont elle épousera le relief à la cuisson.
- Fritte Composition de verre, pouvant être colorée (à l'aide d'oxydes métalliques), portée à fusion et trempée dans un bain d'eau froide afin de la réduire en granulés servant à l'élaboration d'émaux ou de « balottes » (barres) colorées, matériaux de base des verriers.
- Cueiller Action de prélever une masse de verre dans le four à l'aide d'une canne ou d'un pontil.
- Pontil Tube métallique plein, le pontil permet une mise en forme au « marbre » ou à l'aide de divers outils. Il sert aussi à la séparation de l'objet de la canne afin de percer et travailler le col, à rapporter des éléments de décor, des anses, un pied.

Recyclage du verre

Les bouteilles de verre usagées peuvent être fondues. La matière ainsi récupérée permet de fabriquer de nouvelles bouteilles. Le verre peut se recycler indéfiniment sans perdre ses qualités. Le verre peut également être produit à partir de calcin (verre broyé) de récupération. La fabrication du verre à partir de calcin de récupération économise des matières premières et de l'énergie. Avant d'être refondu, le verre subit différents traitements : broyage, lavage, élimination des colles, étiquettes, capsules, séparation du verre et des métaux et élimination des rebuts (porcelaine, cailloux...). En France, le verre est récupéré pour être recyclé. L'Allemagne a choisi un autre système de réutilisation : la consigne. Dans ce système les bouteilles sont récupérées entières, lavées puis réutilisées.

Physique et chimie du verre

Cette partie aborde le verre et ses caractéristiques d'un point de vue scientifique. Dans cette partie, nous limiterons notre étude à des verres d'oxydes. Cependant, il existe d'autres grands types de verres, en particulier, les verres métalliques (composés uniquement d'éléments métalliques) et les verres de spin (composés cristallisés caractérisés par une absence d'ordre magnétique à grande distance, d'où leur nom).

Structure du verre

Le verre est un matériau amorphe, c'est-à-dire non cristallin. De ce fait, il présente un désordre structural important. Sa structure microscopique est telle qu'il n'existe aucun ordre à grande distance dans un verre. Un verre peut même être vu comme un "réseau" tridimensionnel, semblable à celui d'un cristal, mais dans lequel seul l'ordre à courte distance est conservé. Comparons, par exemple, la structure de la silice (SiO₂) cristalline (sous sa forme cristobalite) et celle de la silice vitreuse. cristobalite cristobalite cristobalite Dans les deux cas, chaque atome de silicium est lié avec quatre atomes d'oxygène, formant ainsi des tétraèdres SiO₄ ; chaque tétraèdre pouvant être considéré comme une "brique" de l'édifice final. Mais tandis que la cristobalite peut être défini comme un empilement régulier de ces briques SiO₄, la silice vitreuse peut être vue comme un empilement anarchique des ces mêmes briques SiO₄. En raison de sa structure amorphe, les verres produisent, en diffraction des Rayons X (DRX), un halo de diffusion, contrairement aux cristaux qui donnent des pics étroits et intenses. diffraction des Rayons X

Principaux composants du verre

En raison de sa structure amorphe, le verre est soumis à très peu de contraintes stoechiométriques. De ce fait, un verre peut inclure en son sein une très grande variété d'éléments et présenter des compositions très complexes. Dans un verre d'oxydes, ces différents éléments sont sous une forme cationique, afin de former des oxydes avec l'anion oxygène O^2-. Les cations intervenant dans la composition de verres peuvent être classés en trois catégories selon le rôle structural qu’ils jouent lors de la vitrification (formation du verre) : les formateurs de réseau, les non-formateurs de réseau (ou modificateurs de réseau) et les intermédiaires. Les critères structuraux de cette classification prennent en compte le nombre de coordination (nombre d'atomes d'oxygène auquel est lié le cation) et les forces de liaison.

Les formateurs de réseau

Les formateurs de réseau sont des éléments qui peuvent à eux seuls former un verre. Les éléments formateurs les plus courants sont le silicium Si (sous sa forme oxyde SiO₂), le bore B (sous sa forme oxyde B₂O₃), le phosphore P (sous sa forme oxyde P₂O₅), le germanium Ge (sous sa forme oxyde GeO₂) et l'arsenic As (sous sa forme oxyde As₂O₃). Ce sont des éléments métalliques de valence assez élevée (généralement 3 ou 4, parfois 5), qui forment des liaisons mi-covalentes mi-ioniques avec les atomes d’oxygène. Ils donnent des polyèdres de faible coordinence (3 ou 4), comme SiO₄, BO₄ ou BO₃. Ces polyèdres sont liés par leurs sommets et forment le réseau vitreux.

Les modificateurs de réseau (ou non-formateurs)

Les modificateurs de réseau ne peuvent pas former de verre à eux seuls. Ce sont essentiellement les alcalins, les alcalino-terreux et dans une moindre mesure certains éléments de transition et les terres rares. Ils sont habituellement plus volumineux (rayon ionique plus important) que les formateurs de réseau, faiblement chargés et donnent des polyèdres de grande coordinence. Leurs liaisons avec les atomes d’oxygène sont plus ioniques que celles établies par les formateurs. Ils peuvent avoir deux rôles structuraux bien distincts, soit modificateurs de réseau vrais, soit compensateurs de charge.
- Les modificateurs de réseau vrais cassent les liaisons entre les polyèdres du réseau vitreux provoquant une dépolymérisation de ce dernier. Ils transforment alors les oxygènes pontants, qui lient deux éléments formateurs de réseau, en oxygènes non-pontants, liés à un seul formateur de réseau. Ceci se traduit à l’échelle macroscopique par une diminution du point de fusion et de la viscosité. viscosité
- Les compensateurs de charge quant à eux compensent une charge négative sur un polyèdre formateur de réseau, par exemple BO₄^-, lui permettant d’être stable dans cette configuration.

Les intermédiaires

Les éléments intermédiaires ont différents comportements : certains de ces éléments sont soit formateurs, soit modificateurs selon la composition du verre tandis que d’autres n’auront ni l’une ni l’autre des ces fonctions mais un rôle intermédiaire. Les principaux éléments intermédiaires dans les verres d'oxydes sont l’aluminium Al, le fer Fe, le titane Ti, le nickel Ni et le zinc Zn.

Centres colorés

zinc Des métaux et des oxydes métalliques peuvent être ajoutés lors du processus de fabrication du verre pour influer sur sa couleur. L'ajout d'une faible quantité de manganèse permet d'élimer la teinte verte produite par le fer. A des concentrations plus élevées, il permet l'obtention d'une couleur proche de celle de l'améthyste. De même que le manganèse, le sélénium utilisé en faible quantité permet de décolorer le verre. Une quantité plus importante produit une teinte rouge. Le verre est teint en bleu par l'ajout d'une faible concentration de cobalt (0.025 à 0.1%). L'oxyde d'étain et les oxydes d'antimoine et d'arsenic permettent de produire un verre blanc opaque. Ce procédé a été utilisé pour la première fois à Venise pour obtenir une imitation de porcelaine. L'ajout de 2 à 3% d'oxyde de cuivre produit une couleur turquoise. L'ajout de cuivre métallique pur conduit à un verre rouge très sombre, opaque, parfois utilisé comme substitut au rubis doré. Suivant la concentration utilisée, le nickel permet de produire des verres bleus, violets ou même noirs. L'ajout de titane conduit à un verre jaune-brun. L'or métallique ajouté à des concentrations très faibles (voisines de 0.001%) permet d'obtenir un verre de couleur rubis, tandis que des concentrations plus faibles encore conduisent à un verre de rouge moins intense, souvent présenté comme "groseille". De l'uranium (0.1 à 2%) peut être ajouté pour donner au verre une teinte jaune ou verte fluorescente. Le verre à l'uranium n'est pas assez radioactif pour être dangereux. En revanche, s'il est broyé pour former une poudre, par exemple en le polissant avec du papier de verre, la poudre peut être cancérigène par inhalation. Les composés à base d'argent (notamment le nitrate d'argent) permettent d'obtenir des teintes dans une gamme allant du rouge orangé au jaune. La couleur obtenue par l'ajout de ces différents additifs dépend de manière significative de la façon dont le verre a été chauffé et refroidi au cours du processus de fabrication.

Transition vitreuse

D’un point de vue thermodynamique, le verre est obtenu à partir d’une phase liquide surfondue solidifiée au point de transition vitreuse, Tg. Pour une composition donnée, on s'intéresse à la variation d'une grandeur thermodynamique comme le volume occupé par cette phase (en maintenant la pression constante) ou une des fonctions thermodynamiques énergétiques molaires, comme l'enthalpie V, par exemple (on aurait aussi pu choisir l'énergie interne U). Intéressons-nous au refroidissement d'un liquide. A priori, pour des températures inférieures à la température de fusion T_f (T_f dépend de la pression), l'état le plus stable thermodynamiquement correspond à l'état cristallisé (enthalpie la plus faible possible). A T_f, on observe alors une variation de H ainsi qu'un changement de pente de H (cette pente est beaucoup plus faible pour un solide que pour un liquide). Mais si, lors du refroidissement du liquide, la viscosité est trop importante ou le refroidissement très rapide, la cristallisation n'a pas le temps de se produire et un liquide surfondu est alors obtenu. Aucune discontinuité de H n'est alors observé à T_f et sa pente reste inchangée. En poursuivant le refroidissement, la viscosité du liquide augmente de façon exponentielle et le liquide surfondu devient quasiment solide. Lorsqu'elle atteint 10¹³ poises, la rigidité empêche les mouvements microscopiques locaux et on observe un changement de pente de l'enthalpie (la pente devient la même que pour celle du composé cristallisé). La température à laquelle se produit ce changement s'appelle température de transition vitreuse, T_g. Pour une température inférieure à T_g, le matériau est un solide avec le désordre structural d’un liquide : c'est un verre. Le désordre, et donc l’entropie, sont plus élevés dans un verre que dans un cristal. cristal Le passage continu de l’état liquide à l’état vitreux se fait dans une plage de température délimitée par la température de fusion (T_f) et la température de transition vitreuse (T_g) et appelée zone de transition vitreuse. En dessous de Tg, le temps de relaxation nécessaire pour atteindre l’équilibre de configuration (état cristallisé) est alors supérieur au temps d’expérience. Ainsi, le verre est un matériau métastable, évoluant inévitablement vers l’état cristallin mais pouvant persister à l’état vitreux sur des périodes de temps très longues. C’est le cas par exemple de l’obsidienne, verre volcanique naturel, dont on peut trouver des spécimens vieux de plusieurs millions d'années. Malgré sa forte viscosité, le verre conserve certaines propriétés des liquides. Ainsi, le verre peut "couler", mais de manière extrèmement lente. Par exemple, on peut observer que les vitraux des cathédrales, ou les glaces de la Galerie des Glaces au Château de Versailles sont plus épaisses à la base qu'à leur sommet : le verre s'est très lentement écoulé au fil des siècles, s'accumulant à la base du vitrail ou de la glace.

Altération du verre

Les verres ne sont pas insensibles à l'action de l'eau ou de l'air. Bien sûr, cela n'empêche pas l'existence de verres ayant plusieurs millions d'années et non altérés car la sensibilité des verres à l'altération dépend des leur composition chimique.

Symbolique

Le verre est un des premiers matériaux mis au point, rêvé par l'homme. Il est le symbole de fragilité, de finesse et de transparence (par exemple, la pantoufle de verre de Cendrillon dans le dessin animé de Walt Disney ; alors que Cendrillon porte des pantoufles de vair dans le conte original de Grimm mais pas de Perrault).

Liens externes

- [http://www.infovitrail.com/ Infovitrail - La culture du vitrail de A à Z]
- [http://www.passion-vitrail.org/ Passion Vitrail - Conférences sur les thèmes du verre et du vitrail]

Voir aussi

- Verrerie
- Verre blindé
- Verre optique
- Entretien et restauration du verre
- Histoire du verre
- Types de verre
- Refroidissement du verre
- Industrie du verre
- Soufflage du verre
- Transition vitreuse
- Procédé sol-gel
- Verre (récipient) Catégorie:Matériau de construction Catégorie:Verrerie ja:ガラス ms:Kaca simple:Glass th:กระจก

Physique quantique

Catégorie:Sciences Catégorie:Recherche scientifique Catégorie:Théorie scientifique Catégorie:Physique quantique Catégorie:Mécanique quantique La mécanique quantique, aussi appelée physique quantique ou théorie des quanta, est une théorie physique établie aux débuts du , notamment par Bose, Bohr, de Broglie, Dirac, Fermi, Heisenberg, Pauli et Schrödinger. Elle se présente comme une généralisation de la mécanique classique qui s'est avérée limitée dans son champ de validité. Cette dernière échoue en effet dans la description de l'infiniment petit (voir par ex. le modèle de l'atome) et de certaines propriétés du rayonnement électromagnétique (quantification de la lumière pour le corps noir). Théorie non relativiste à ses débuts, elle a été généralisée pour prendre en compte les effets de la relativité restreinte donnant ainsi naissance à la théorie des champs. La physique quantique a apporté une révolution conceptuelle ayant des répercussions jusqu'en philosophie (remise en cause du déterminisme) et en littérature (science-fiction). Elle a permis nombre d'applications technologiques : énergie nucléaire, imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire, diode, transistor, microscope électronique, laser. Un siècle après sa conception, elle est abondamment utilisée dans la recherche en chimie théorique (chimie quantique), en physique (physique de la matière condensée, physique nucléaire, physique des particules, astrophysique), en mathématiques (formalisation de la théorie des champs) et, récemment, en informatique (ordinateur quantique). Elle est donc considérée avec la relativité générale d'Einstein comme l'une des deux théories majeures du . La mécanique quantique est connue pour être contre-intuitive, choquer le « sens commun » et nécessiter un formalisme mathématique ardu. La raison principale est que le monde de l'infiniment petit ne se comporte pas de la même manière que l'environnement macroscopique auquel nous sommes habitués. Les différences fondamentales qui séparent ces deux mondes sont :
- la quantification : un certain nombre d'observables, par exemple l'énergie émise par un atome lors d'une transition entre états excités, sont quantifiés, c'est-à-dire qu'elles ne peuvent prendre leur valeur que dans un ensemble discret de résultats. A contrario, la mécanique classique prédit le plus souvent que ces observables peuvent prendre continûment n'importe quelle valeur.
- la dualité onde-particule : la notion d'onde et de particule qui sont séparées en mécanique classique deviennent deux facettes d'un même phénomène, décrit de manière mathématique par sa fonction d'onde. En particulier, l'expérience prouve que la lumière peut se comporter comme des particules (photons, mis en évidence par l'effet photoélectrique) et/ou comme une onde (rayonnement produisant des interférences) selon le contexte expérimental, les électrons et autres particules pouvant également se comporter de manière ondulatoire.
- le principe d'incertitude de Heisenberg : une incertitude fondamentale empêche la mesure exacte simultanée de deux grandeurs conjuguées. Il est notamment impossible d'obtenir une grande précision sur la mesure de la vitesse d'une particule sans obtenir une précision médiocre sur sa position, et vice versa. Cette incertitude est structurelle et ne dépend pas du soin que l'expérimentateur prend à ne pas « déranger » le système ; elle constitue une limite à la précision de tout instrument de mesure.
- le principe d'une nature qui joue aux dés : si l'évolution d'un système est bel et bien déterministe (par ex. fonction d'onde régie par l'équation de Schrödinger), la mesure d'une observable d'un système dans un état donné connu peut donner aléatoirement une valeur prise dans un ensemble de résultats possibles.
- lobservation influe sur le système observé : au cours de la mesure d'un observable, un système quantique voit son état modifié. Ce phénomène, appelé "décohérence" est inhérent à la mesure et ne dépend pas du soin que l'expérimentateur prend à ne pas « déranger » le système.
- la non-localité ou intrication : des systèmes peuvent être intriqués de sorte qu'une interaction en un endroit du système a une répercution immédiate en d'autres endroits. Ce phénomène contredit en apparence la relativité pour laquelle il existe une vitesse limite à la propagation de toute information, la vitesse de la lumière ; toutefois, la non-localité ne permet pas de transférer de l'information.
- la contrafactualité : des évènements qui auraient pu se produire, mais qui ne se sont pas produits, influent sur les résultats de l'expérience.
Historique

Faits scientifiques connus à la fin du XIXe siècle
Un certain nombre de faits scientifiques étaient connus à la fin du , et étaient inexplicables dans le cadre de la physique classique de l'époque. Ces faits ont menés les physiciens sur la voie de la physique quantique.
La stabilité des atomes
Deux graves problèmes se posait à la fin du concernant les atomes :
- La stabilité d'un atome est incompréhensible dans le cadre de la théorie classique. En effet, la théorie de Maxwell nous dit que toute charge accélérée rayonne de l'énergie sous forme d'onde électromagnétique. Les électrons étant accélérés sur leur orbites classiques au sein de l'atome, leur énergie doit diminuer : les électrons tombent sur le noyau. Un calcul de la durée caractéristique de ce phénomène donne de l'ordre de 10 ns, donc les atomes classiques sont instables, ce que l'expérience contredit manifestement !
- De plus, la théorie classique prédit que le rayonnement émis par l'électron accélérée possède une fréquence égale à la fréquence angulaire du mouvement. L'électron tombant continuement sur le noyau, sa fréquence angulaire augmente continuement, et on devrait observer un spectre continu. Or la lumière émise par une lampe spectrale à vapeur atomique présente un spectre de raies discret !
Le rayonnement du corps noir
Le rayonnement du corps noir est le rayonnement produit par un corps en équilibre thermodynamique avec son milieu. Nous pouvons nous le représenter en imaginant une enceinte fermée percée d'un trou minuscule. Le matériau est supposé absorbant, le rayonnement est émis par l'intermediaire du trou vers l'intérieur de l'enceinte, subit de multiples réflexions, émissions et absorptions avant de ressortir par ce trou. L'enceinte et son rayonnement par le trou sont en équilibre thermique. Les caractéristiques de ce rayonnement ne dépendent pas de la nature du matériau, mais de sa température. Nous l'appelons rayonnement du corps noir. À la fin du , la théorie classique était incapable d'expliquer la théorie du rayonnement du corps noir, ce qui a abouti à la catastrophe ultraviolette : l'énergie émise tendait théoriquement vers l'infini, ce qui était évidemment en contradiction avec l'expérience. Max Planck proposa en 1900 une loi, qui porte son nom, qui décrit la densité du rayonnement en fonction de la température. Cette loi impose de penser que les échanges d'énergie entre le rayonnement électromagnétique et la matière est quantifié, échangé par paquets : $E = h \nu$ . Cette loi sera par la suite utilisée par Albert Einstein. La loi de Planck s'écrit : : $B_\lambda(T)=\frac$ $\lambda$ étant la longueur d'onde, T la temperature, h la constante de Plank, et c la vitesse de la lumière.
La relation de Planck-Einstein (1900)
Au début du , l'observation expérimentale des spectres formés de raies monochromatiques, des effets à seuil tel que l'effet photoélectrique et aussi de l'analyse par Max Planck du rayonnement d'un corps chaud plus connu sous le nom du rayonnement du corps noir, conduisit à remettre en question toute une partie de la physique connue à l'époque. Ainsi on fut amené à émettre l'hypothèse que le rayonnement électromagnétique était quantifié : l'énergie transportée par ce rayonnement ne pouvait pas prendre n'importe quelle valeur, mais uniquement un multiple d'une valeur qu'on a appelée quantum de lumière, ou photon. Cette hypothèse fut d'abord émise par Max Planck puis par Einstein qui reçut le prix Nobel pour son interprétation de l'effet photoélectrique, premier signe tangible de l'existence des photons. Cette relation qui exprime la quanta de l'énergie s'écrit ainsi: : $|\Delta E| = h \nu$ où : $h$ est la constante de Planck ou quantum d'action ( $6,62.10^$ joule s) : $|\Delta E|$ est la variation d'énergie du système (émise ou absorbée) :et $\nu$ (lettre grecque se prononçant nu) est la fréquence du rayonnement émis ou absorbé. Cette relation exprime qu'il y a un lien direct et universel entre la fréquence d'un rayonnement électromagnétique et les variations d'énergie qui se sont produites : les deux sont simplement proportionnelles. Cette relation n'est pas toujours applicable : en effet les transferts d'énergie sont quantifiés ; un atome ne peut se placer qu'à des niveaux d'énergie bien définis, et si une onde électromagnétique apporte trop ou pas assez d'énergie, l'atome n'absorbera rien.
L'effet photoélectrique (1905)
À la fin du , les physiciens ont remarqué que lorsque l'on éclaire un métal avec une lumière, celui-ci peut émettre des électrons. Leur énergie dépend de la fréquence de la lumière incidente, et leur nombre dépend de l'intensité lumineuse, ce qui est difficilement compréhensible au sein du modèle ondulatoire de la lumière. Si la lumière incidente a une fréquence en dessous d'un certain seuil, rien ne se passe. Einstein proposa en 1905 un article expliquant ce phénomène. Les photons sont porteurs de l'énergie $E = h \nu$ et de l'impulsion $\vec=\hbar\vec$ . Les électrons absorbant les photons acquièrent cette énergie ; si elle est suffisante, les électrons peuvent alors sortir du métal. Les électrons émis ont alors l'énergie : $h \nu - E_$ . Cet article lui valut le titre de docteur en 1905, et le prix Nobel de physique en 1921.
L'effet Compton (1923)
Toujours à la fin du , les physiciens ont constaté que les électrons pouvaient interagir avec la lumière. La théorie classique n'arrivait pas à expliquer la variation observée de longueur d'onde en fonction de la direction. Dans le cadre de la mécanique quantique et de la relativité restreinte, l'interprétation de l'effet Compton considère le choc photon-électron, comme un choc entre les deux particules. Les photons sont diffusés suivant des directions variables et révèlent une augmentation de variation de longueur d'onde qui dépend de la direction de sortie.
Les relations de de Broglie (1923)
Alors qu'il était clair que la lumière présentait une dualité onde-corpuscule, Louis de Broglie proposa de généraliser cette dualité à toutes les particules connues, même si les interférences des électrons n'étaient pas encore observées. Louis de Broglie proposa d'associer à chaque particule d'énergie $E$ , une fréquence $\nu$ , une pulsation $\omega$ , une impulsion $p$ et une longueur d'onde $\lambda$ . Les relations de de Broglie s'écrivent : : $\left\$

Transition de phase

ja:相転移 Catégorie:Thermodynamique Catégorie:Science des matériaux En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la variation d'un paramètre extérieur particulier (température, champ magnétique...). Cette transition a lieu lorsque le paramètre atteint une valeur seuil (plancher ou plafond selon le sens de variation). La transformation est un changement des propriétés du système ; cela peut être - la transformation d'un système thermodynamique d'une phase à une autre : fusion, ébullition, sublimation... - le changement de comportement magnétique d'une pièce metallique ou céramique : - un métal ferromagnétique passe d'un comportement paramagnétique à diamagnétique au point de Curie ; - certaines céramiques deviennent supraconductrices en dessous d'une température critique, - la condensation quantique de fluides bosoniques en condensat de Bose-Einstein ; - la disparition de symétrie dans les lois de la physique au début de l'Histoire de l'univers quand sa température refroidie. Les transitions de phases ont lieu lorsque l'énergie libre d'un système n'est pas une fonction analytique (par exemple non-continues ou non-dérivable) pour certaines variables thermodynamiques. Cette non-analyticité provient du fait qu'un nombre extrêmement grand de particules interagissent ; ceci n'apparaît pas lorsque les systèmes sont trop petit.

Classification des transitions de phase

classification d'Ehrenfest

C'est Paul Ehrenfest qui tenta le premier de classifier les transitions de phase, en se basant sur le degré de non-analyticité. Bien qu'utile, ce classement n'est qu'empirique et ne représente pas la réalité des mécanismes de transition. Selon ce schéma, les transitions de phases sont classées selon le degré de dérivation l'énergie libre qui est discontinue à la transition. Les transitions du premier ordre sont celle pour lesquelles l'énergie libre n'est pas dérivable selon une variable thermodynamique (la dérivée première de l'énergie libre est discontinue). Par exemple, les transitions solide/liquide/gaz sont de premier ordre : la dérivée de l'énergie libre selon le volume donne la pression, et celle-ci change de manière discontinue lors des transitions. Les transitions du deuxième ordre sont celle pour lesquelles la dérivée seconde de l'énergie libre n'est pas continue. Elles comprennent la transition ferromagnétique dans des matières comme le fer : la dérivée première de l'énergie libre selon le champ magnétique appliqué est la magnétisation, la dérivée seconde est la susceptibilité magnétique et celle-ci change de manière discontinue à la température dite « de Curie » (ou point de Curie). Expérimentalement, on n'a pas constaté de transition d'ordre plus élevé.

Classification actuelle des transitions de phase

Le schéma d'Ehrenfest est une méthode est basée sur la théorie du moindre champ de phases. Cette théorie est imprécise à proximité des transitions de phase et néglige le rôle des fluctuations thermodynamiques. Par exemple, elle prédit une discontinuité finie dans la capacité calorifique lors de la transition ferromagnétique ; dans les faits, cette discontinuité est infinie. La classification utilisée actuellement distingue également des transitions de premier et de second ordre, mais la définition est différente. Les transitions de premier ordre sont celles qui impliquent une chaleur latente. Au cours de ces transitions, le système absorbe ou émet une quantité d'énergie fixe (et en général grande). Comme l'énergie ne peut pas être transferrée instantanément entre le système et son environnement, les transitions de premier ordre ont lieu dans des phases étendues dans lesquelles toutes les parties ne subissent pas la transition au même moment ; ces systèmes sont hétérogènes. C'est ce que l'on constate lors de l'ébullition d'une casserole d'eau : l'eau n'est pas instantanément transformée en gaz mais forme un mélange turbulent d'eau et de bulles de vapeur d'eau. Les systèmes étendus hétérogènes sont difficiles à étudier car leurs dynamiques sont violentes et peu contrôlables. C'est le cas de nombreux systèmes, et notamment des transitions solide/liquide/gaz. Les transitions de second ordre sont des transitions dites « de phase continues » ; il n'y a pas de chaleur latente associée. C'est le cas par exemple de la transition ferromagnétique, de la transition superfluide et de la condensation de Bose-Einstein. Il existe également des transitions de phase d'ordre infini. Elles sont continues mais ne brisent aucune symétrie (voir ci-dessous). L'exemple le plus fameux est la transition Berezinsky-Kosterlitz-Thouless dans le modèle XY à deux dimensions. Ce modèle permet de décrire de nombreuses transitions de phase quantiques dans un gaz d'électron à deux dimensions.

Propriétés des transitions de phase

Points critiques

Dans les systèmes contenant des phases liquides et gaseuses, il existe des conditions de pression et de température pour lesquelles la transition entre le liquide et le gaz devient du second ordre. Près de ce point critique, le fluide est suffisamment chaud et comprimé pour que l'on ne puisse pas distinguer les phases liquides et gazeuses. Le système a une apparence laiteuse en raison des fluctuations de la densité du milieu, qui perturbe la lumière sur tout le spectre visible. Ce phénomène est appelé opalescence critique.

Symétrie

Les phases avant et après transition ont souvent, mais pas systématiquement, des symétries différentes. Considérons par exemple la transition entre un fluide (liquide ou gaz) et un solide cristallin. Le fluide est composé de molécules arrangées de manière désordonnée mais homogène, il possède une symétrie translationnelle continue : chaque point dans le fluide a les même propriétés que n'importe quel autre point. Le solide cristallin est par contre est fait d'atomes arrangés selon un réseau. Ce réseau est hétérogène et anisotrope : les propriétés varient grandement d'un point à un autre, et selon les directions considérées, mais sont périodiques. La transition ferromagnétique est un autre exemple d'une transition brisant la symétrie ; il s'agit dans ce cas de la symétrie des courants électriques et des lignes de champ magnétique. Cette symétrie est brisée par la formation de domaines magnétiques contenant des moments magnétiques alignés. Chaque domaine a un champ magnétique pointant dans une direction fixée choisie spontanément pendant la transition de phase. On parle de « symétrie de haut et bas », ou de « symétrie d'inversion du temps » car les courants électriques inversent leur direction quand les sens du temps est inversés. La présence ou l'absence d'une rupture de symétrie est important pour le comportement des transitions de phase. Ceci fut pointé par Landau : il n'est pas possible trouver une fonction continue et dérivable entre des phases possédant une symétrie différente. Ceci explique qu'il n'est pas possible d'avoir un point critique pour une transition solide cristallin-fluide. Les transitions brisant une symétrie sont nécessairement du premier ou du second ordre. En général, la phase la plus symétrique est la phase stable à haute température ; c'est par exemple le cas des transitions solide-liquide et ferromagnétique. En effet, l'Hamiltonien d'un système présente habituellement toutes les symétries possible du système, et certaines de ces symétries sont absentes dans les états de basse énergie ; on appelle ceci la rupture spontanée de symétrie. La rupture de la symétrie nécessite l'introduction de variables supplémentaires pour décrire l'état du système. Par exemple dans la phase ferromagnétique, il faut pour décrire le système indiquer la « magnétisation nette » des domaines qui s'opère lors du passage sous le point de Curie. Ces variables sont des paramètres d'ordre. Notez cependant que les paramètres d'ordre peuvent aussi être définis pour des transitions qui ne rompent pas la symétrie. Les transitions de phase qui brisent la symétrie jouent un rôle important en cosmologie. Dans la théorie du Big bang, le vide (théorie du champ quantique) initial possède un grand nombre de symétries. Au cours de l'expansion de l'univers, celui-ci se refroidit le vide ce qui entraîne une série de transitions brisant des symétries. Par exemple, la transition étrique faible rompt la symétrie SU(2)×U(1) du champ électrofaible, le champ électromagnétique actuel ayant une symétrie U(1). Cette transition est importante pour comprendre l'asymétrie entre la quantité de matière et d'antimatière dans l'univers présent (voir baryogénèse électrofaible)

Exposants critiques et classes d'universalité

Les transitions de phase continues sont plus faciles à étudier que celles de premier ordre en raison de l'absence de chaleur latente, et elle ont de nombreuses propriétés intéressantes. Le phénomène associé avec la transition de phase continue est appelée phénomène critique, en raisonde son association avec les points critiques. Les transitions de phase continues peuvent être caractérisées par des paramètres appelés exposants critiques. Bien que la transiition soit continue (et donc ne se fasse pas à tempéraure constante), on peut tout de même définir une température critique T_c. Quand T est proche T_c, la capacité calorifique C suit typiquement une de loi de puissance : :

C \sim |T_c - T|^

La constante α est l'exposant critique associé avec la capacité calorifique. Puisque la transition n'a pas de chaleur latente, il faut nécessairement que α soit strictement inférieur à 1 (sinon, la loi C(T) n'est plus continue). La valeur de α dépend du type de transition de phase considéré :
- pour -1 < α < 0, la capacité calorifique a une « anomalie » à la température de transition. C'est le comportement de l'hélium liquide à la « transition lambda » d'un état « normal » vers l'état superfluide ; expérimentalement, on trouve α = -0,013±0,003 dans ce cas.
- Pour 0 < α < 1, la capacité calorifique diverge à la température de transition, cependant, la divergence n'est pas assez importante pour produire une chaleur latente. La troisième dimension de la transition de la phase ferromagnétique suit un tel comportement. Dans le modèle Ising tri-dimensionel pour les aimants uniaxial, des études théorique détaillées ont déterminé une valeur de l'exposant α ∼ 0,110. Quelques systèmes ne suivent pas cette loi de puissance. Par exemple, la théorie du moindre champ prédit une discontinuité finie de la capacité calorifique à la température de transition, et le modèle Ising bi-dimensionel a une divergence logarithmique. Cependant, ces systèmes sont des modèle théoriques, ; les transitions de phase observés jusqu'ici suivent tous une loi de puissance. On peut définir plusieurs exposants critiques - notés β, γ, δ, ν, et η - correspondant aux variations de plusieurs paramètres physiques autour du point critique. Fait remarquable, des systèmes différents possèdent souvent le même ensemble d'exposants critiques. Ce phénomène est appelé universalité. Par exemple, dans le cas du point critique liquide-gaz, les exposants critiques sont largement indépendants de la compositios chimique du fluide. Plus surprenant, les exposants critiques de la transition de phase ferromagnétique sont exactement les mêmes pour tous les aimants uniaxiaux. De tels systèmes sont dit être dans la même classe d'universalité. L'universalité est une prédiction de la théorie de la transition de phase du groupe de renormalisation, qui indique que les propriétés thermodynamiques d'un système près de la transition dépend seulement d'un petit nombre d'éléments, comme la dimensionalité et la symétrie, et est insensible aux propriétés sous-jacente microscopique du système.

Voir aussi

Landau

ja:ランダウ
- Landau est une ville d'Allemagne
- Un landau est un type de voiture d'enfant

Voir aussi

- Edmund Landau, mathématicien
- Lev Davidovich Landau, physicien
- Martin Landau, acteur
- Notations de Landau
- Effet Landau
- Petit-Landau, commune du Haut-Rhin

Cristallographie

La cristallographie est la science qui se consacre à l'étude des substances cristallines à l'échelle atomique. L'arrangement spatial des atomes dans la matière est étroitement lié à ses propriétés. L'état cristallin est défini par un caractère périodique et ordonné à l'échelle atomique ou moléculaire. Le cristal est obtenu par translation dans toutes les directions d'une unité de base appelée maille élémentaire. Elle est en rapport avec des disciplines aussi diverses que la physique, la chimie,la biophysique la biologie, la médecine, la science des matériaux, la métallurgie ainsi que les sciences de la terre.

Historique

Le cristal, d'abord simple objet de curiosité, passionna les collectionneurs avant d'intriguer les savants qui, en étudiant sa structure, ébauchèrent les premières théories sur la constitution intime de la matière. La loi des indices rationnels ou des troncatures simples fut définie par l'Abbé Haüy en 1774. Par observation du phénomène de clivage de la calcite, il a déterminé les « molécules intégrantes » c'est-à-dire les parallélépipèdes identiques constituant les cristaux et suite à cela, il a été déduit que chaque face d'un cristal peut être repérée dans l'espace par des nombres entiers.

Les bases

La matière solide est composée d'atomes, que l'on peut voir comme des boules élémentaires qui s'assemblent. Elles peuvent s'assembler de plusieurs manières : quelques boules s'assemblent pour former une molécule, c'est le cas des gaz, des liquides, des polymères (caoutchoucs, plastiques, papiers, protéines...), ces matériaux comportent des milliards de molécules semblables. Les boules s'agencent de manière irrégulière, on a alors de la matière dite « amorphe » (ou « vitreuse »), comme par exemple le verre, ou encore elles s'entassent de manière ordonnée, c'est alors un cristal.

Le cristal parfait

Le « cristal parfait » est un modèle utilisé pour représenter la structure de la matière cristalline. Elle considère qu'un cristal est un empilement ordonné et infini d'atomes, d'ions ou de molécules. Le cristal est un solide à structure constituée d'atomes ordonnés dans un réseau périodique et même tripériodique et symétrique. Il a des propriétés de symétrie avec des axes directs et inverses, des miroirs, des plans et des centres de symétrie. Un cristal peut être isotrope (même indice de réfraction de la lumière dans toutes les directions) ou anisotrope (deux indices différents dans deux directions perpendiculaires). La maille élémentaire est le plus petit volume cristallin conservant toutes les propriétés physiques, chimiques et géométriques du cristal. Elle est définie par trois vecteurs qui génèrent ainsi six paramètres de mailles: les trois longueurs des vecteurs a, b, c et trois angles α, β, γ.

Le réseau cristallin

Un réseau est un ensemble de points ou « nœuds » en trois dimensions qui présente la propriété suivante : lorsque l'on se translate dans l‘espace selon certains vecteurs, on retrouve exactement le même environnement. Il y a donc une périodicité spatiale. Cela permet de définir sept systèmes cristallins de base : cubique, quadratique (tetragonal in english), orthorhombique, hexagonal, monoclinique, triclinique, rhomboèdrique (trigonal in english).

Le réseau de Bravais

Le français Auguste Bravais définit, en 1848, à partir des différentes combinaisons des éléments de symétrie cristalline, 32 classes de symétrie, qui elles-mêmes se répartissent en 14 types de réseaux (il n'existe pas d'autre façon de disposer des points dans l'espace, afin de réaliser un réseau ou une maille, de manière à ne laisser aucun volume libre entre les réseaux). Les 14 réseaux de bravais sont des expansions des 7 formes primitives de cristaux. Voici une liste des 7 primitives des réseaux de Bravais:
- Triclinique: Image:Triclinique.png on a

a\neq b \neq c

et aucun des angles est égale à 90°.
- Monoclinique: Image:Monoclinique.png Le deuxième réseau de Bravais est le réseau monoclinique. les trois longueurs a,b et c ne sont pas égales. il est composé de 2 bases rectangulaires et de 4 cotés parallélogrammes. On peut le trouver en réseau primitif (P), ou en réseau à base centrée (C) (un noeud au milieu de la face ac). Voir l'article détaillé Réseau de Bravais.

Les indices de Miller

Haüy a défini des indices (P, Q, R) qui permettent de repérer dans l'espace les faces d'un cristal. Miller, pour simplifier, a dit qu'il ne fallait pas utiliser P, Q et R mais leurs inverses (1/P, 1/Q, 1/R) qui seront notés h, k, l. Ils doivent être entiers, premiers entre eux et de valeurs simples. Voir l'article détaillé Indices de Miller.

Groupes ponctuels de symétrie et groupes d'espace

Le groupe ponctuel de symétrie d'un système cristallin est le groupe (au sens mathématique) regroupant l'ensemble des opérations de symétrie qui laissent un noeud du réseau invariant. Ce noeud est donc situé à l'intersection de toutes les opérations de symétrie, dont la translation ne fait pas partie. Il existe 32 groupes ponctuels de symétrie distincts. Le groupe d'espace d'un système cristallin regroupe l'ensemble des opérations de symétrie du groupe ponctuel, auxquelles s'ajoutent les opérations de translation. Vers 1890, Fedorov et Schoenflies - independant l'un de l'autre - démontrèrent l'existence de 230 groupes, qui représentent toutes les combinaisons possibles de réseaux et d'opérations de symétrie. Pour plus d'information, voir l'article système cristallin.

Les défauts cristallins

Voir l'article détaillé Défaut cristallin.

La cristallogenèse

La cristallogénèse est la formation d'un cristal, soit en milieu naturel, soit de façon expérimentale.

Diffraction

Principe

Max von Laue eut l'idée d'irradier les cristaux avec des rayons X, car il pensait que le réseau cristallin ferait dévier le rayonnement de la même façon que la lumière est déviée dans certains minéraux transparents. L'expérience que des collègues réalisèrent sur un cristal de sulfate de cuivre lui permit de faire la démonstration de la structure périodique des empilements d'atomes dans les cristaux et de la nature ondulatoire du rayonnement X. La détermination minéralogique s'effectue le plus souvent en mesurant la diffraction du rayonnement électromagnétique des rayons X, dont les longueurs d'onde, comprises entre 0,01 et 10 nm, sont de l'ordre des distances qui séparent les plans atomiques des réseaux cristallins. Lorsque le cristal à étudier est irradié par un fin faisceau de rayons X, chacun des atomes du cristal réfléchit une onde de faible amplitude, qui se propage dans toutes les directions. Les ondes issues des atomes interfèrent, faisant apparaître sur le film photographique qui les reçoit des taches qui correspondent au maximum des ondes en phase; les autres, en opposition de phase, se sont annulées.

Réseau réciproque

Au niveau d'un écran situé à une distance des centres diffuseurs secondaires, on observera des figures de diffraction qui permettent de visualiser les perturbations créées par les interférences citées précédemment. Le réseau réciproque est l'image que l'on obtient à partir de la figure de diffraction.

Appareillage utilisés en cristallographie

- Le microscope polariseur analyseur
- Le diffractomètre

Matériaux Isotropes et Anisotropes

En ce qui concerne les liquides et les gaz on peut considérer que le milieu est isotrope. Exception tout de même, les propriétés physiques des cristaux liquides sont anisotropes. Cette complexification vient de l'arrangement tridimensionnel des molécules qui composent le liquide. En effet, les choses se compliquent lorsque l'on parle de cristaux. En effet, seuls les cristaux cubiques (ainsi que les matériaux amorphes) sont isotropes, les cristaux tétragonaux, rhomboedriques, orthorombiques, hexagonaux, monocliniques et tricliniques étant anisotropes.

Applications

On applique les méthodes cristallographiques en physique, chimie, biologie, biochimie, médecine et en sciences de la terre. Elle est intéressante car elle permet l'analyse des substances organiques et inorganiques.

Voir aussi

La constante de Madelung pour les cristaux ioniques

Liens

http://mfca.ups-tlse.fr/radiocris/index.htm
- Catégorie:Chimie du solide ja:結晶学

Science des matériaux

La science des matériaux regroupe les domaines qui étudient la matière qui constitue les objets. Cela va des roches (en géologie) aux métaux en passant par les matériaux de construction (génie civil), les polymères (plastiques, caoutchouc, peintures, résines) les céramiques, les verres... De nombreux concepts étant communs à tous ces domaines, on parle aussi de LA science des matériaux. Cela fait intervenir à la fois de la chimie et de la physique (physico-chimie). Les principaux domaines sont :
- la métallurgie,
- les polymères,
- les semiconducteurs,
- la physique du solide,
- la corrosion,
- la cristallographie,
- la mécanique des milieux continus,
- la mécanique des milieux non homogènes,
- les interactions rayonnement-matière.

Voir aussi

- matériau
- Pétrochimie
- résistance des matériaux
- déformation des matériaux : déformation élastique, déformation plastique, fluage, rupture
- extensométrie
- tribologie

Formations en science des matériaux

- École nationale supérieure d'arts et métiers (ENSAM) , [http://www.ensam.fr/sommaire/rubrique_sommaire.htm
- ]
- École nationale supérieure de mécanique et des microtechniques (ENSMM) de Besançon, [http://www.ens2m.fr option Matériaux]
- École nationale supérieure de physique de Grenoble (ENSPG), [http://www.enspg.inpg.fr option Matériaux de Structure]
- École nationale supérieure des ingénieurs en arts chimiques et technologiques (ENSIACET) de Toulouse, [http://www.ensiacet.fr/Web_A7/ENSIA7_FR/FORMATION/INGENIEUR/MP/mp.shtml département Matériaux]
- École nationale supérieure des mines de Nancy, [http://www.mines.inpl-nancy.fr/wmateriaux/ département Matériaux]
- Institut national des sciences appliquées (INSA) de Lyon, [http://www.insa-lyon.fr/Departements/SGM/ département Sciences et Génie des Matériaux SGM]
- Institut national des sciences appliquées de Rennes
- Polytech'Lille, [http://www.polytech-lille.fr/websm/ département Science des Matériaux]
- Polytech'Montpellier, [http://www.polytech.univ-montp2.fr/index.php?rubrique=etudes_formations&sous_rubrique=m&page=generalites département Science et Technologie des Matériaux]
- Université de Technologie de Compiègne (UTC), Génie Mécanique, [http://www.utc.fr/filieresgm/pagesfilieres/MIT.html filière Matériaux]

Liens externes

- http://www.matter.org.uk/ Catégorie:Science des matériaux ko:재료공학 th:วัสดุศาสตร์

Sciences des matériaux

Voir aussi

- matériau
- Pétrochimie
- résistance des matériaux
- déformation des matériaux : déformation élastique, déformation plastique, fluage, rupture
- extensométrie
- tribologie

Formations en science des matériaux

Liens externes

- http://www.matter.org.uk/ Catégorie:Science des matériaux ko:재료공학 th:วัสดุศาสตร์

Microscope électronique

Il existe deux types de microscopes électroniques :
- les microscopes électroniques en transmission (MET)
- les microscopes électroniques à balayage (MEB) Catégorie:Microscope électronique ja:電子顕微鏡 ms:Mikroskop elektron

Semi-conducteur

Les semiconducteurs sont des matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire entre les métaux et les isolants.
- Les semiconducteurs sont primordiaux en électronique parce qu'ils offrent la possibilité de contrôler, par divers moyens, à la fois la quantité de courant électrique susceptible de les traverser et la direction que peut prendre ce courant.
- Dans un semiconducteur un courant électrique est favorisé par deux types de porteurs: les électrons et les trous.
- La propagation par l'intermédiaire d'électrons est similaire à celle d'un conducteur classique: des atomes fortement ionisés passent leurs électrons en excès le long du conducteur d'un atome à un autre, depuis une zone ionisée négativement à une autre moins négativement ionisée.
- La propagation par l'intermédiaire de trous est différente: ici, les charges électriques voyagent d'une zone ionisée positivement à une autre ionisée moins positivement par le mouvement d'un trou créé par l'absence d'un électron dans une structure électrique quasi-pleine.
- Le silicium pur est un semiconducteur intrinsèque. Les propriétés d'un semiconducteur (c'est-à-dire le nombre de porteurs, électrons ou trous) peuvent être contrôlées en le dopant avec des impuretés (autres matériaux). Un semiconducteur présentant plus d'électrons que de trous est alors dit de type N, tandis qu'un semiconducteur présentant plus de trous que d'électrons est dit de type P.

Structure électronique des semiconducteurs

Principe de la structure en bandes

Les propriétés des semiconducteurs proviennent de leur structure électronique. Les éléments de type IV (C, Si, Ge, Sn, ) possèdent une structure électronique de type (.s², .p²), et peuvent former des orbitales

\sigma

\pi

liantes et antiliantes. Lorsque ces atomes forment un réseau cristallin, l'énergie des orbitales liantes tend à diminuer, alors que celle des orbitales antiliantes augmente (en fonction de la distance inter-atomique). En parallèle, les niveaux d'énergie correspondant aux orbitales tendent à s'étaler autour d'un niveau moyen, un phénomène dû à l'interaction des orbitales ; on parle alors de bandes d'énergie plutôt que de niveaux. La bande correspondant à l'étalement de l'orbitale σ antiliante est appelée bande de conduction ; la bande correspondant à l'étalement de l'orbitale π liante est appelée bande de valence. Tant que l'énergie de la bande de conduction est inférieure ou comparable à celle de la bande de valence, des électrons peuvent circuler librement dans le cristal : le solide est conducteur. C'est le cas du magnésium. D'autres métaux comme le cuivre (Cu) ont des états vides dans la bande de valence. Dans cette situation, les électrons de la bande de valence peuvent conduire l'électricité en se déplaçant entre ces états et le matériau est là aussi bon conducteur. Si, en revanche, l'énergie de la bande de valence devient inférieure à celle de la bande de conduction (lorsque les dimensions de la maille cristalline diminuent), les électrons vont peupler tous les niveaux liants : le solide devient isolant au zéro absolu. La différence d'énergie entre la bande de conduction et la bande de valence est appelée gap du matériau. Si le gap est très important (> 200 kT), quasiment aucun électron ne peuple la bande de valence à température ambiante : le matériau est isolant. Si, en revanche, le gap est de l'ordre de quelques eV, la bande de valence contient quelques électrons thermiques qui suffisent à assurer une conduction minimale : le matériau est dit semiconducteur.

Niveau de fermi

Dans un semiconducteur, les électrons suivent une statistique de Fermi-Dirac. On montre que la probabilité pour qu'un électron possède une énergie E s'écrit :

f(E) = \frac

La valeur

E_f

s'appelle Énergie de Fermi et correspond à l'énergie limite qui sépare, au zéro absolu, les niveaux occupés des niveaux vides. Cette énergie est caractéristique du matériau. On voit immédiatement que la concentration en porteurs dépend fortement de la température. Augmenter celle-ci conduit à augmenter le nombre de porteurs et accroît donc la conductivité, à la différence de la plupart des conducteurs qui tendent à être moins conducteurs à haute température. Ce principe est utilisé dans les thermistors. Du fait des propriétés de symétrie du réseau cristallin, les niveaux d'énergie des bandes ne sont pas égaux dans toutes les directions : il existe des axes de conduction privilégiés. Les semiconducteurs où la direction correspondant au maximum d'énergie de la ban