Comment le magnétisme vient aux molécules et le monde merveilleux qui sensuit F. Villain, M. Verdaguer Professeur émérite, UPMC Paris @upmc.fr @upmc.fr

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  • Comment le magntisme vient aux molcules et le monde merveilleux qui sensuit F. Villain, M. Verdaguer Professeur mrite, UPMC Paris [email protected]@upmc.fr Ingnieur de recherche CNRS, Soleil, Gif [email protected]@synchrotron-soleil.fr et C. Besson, M.C. Dul, J.Long Fte de la Science, UPMC, 21-22 novembre 2008
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  • Tout est magntique Comment ? N S Aimant Molcule
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  • Pierre Curie Annales de Chimie 7me srie, V, 1895, 289 (Thse de P. Curie) Fonds documentaire ESPCI et BIUSJ Voir la vitrine diamagntique faiblement magntique ferromagntique Photo muse Curie
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  • Diamagntique Paramagntique 2 Aimant Paramagntique 1
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  • N S Comment rvler le champ magntique cr par un aimant permament ? Un aimant permanent cre un champ magntique
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  • Une exprience pionnire de Michael Faraday Faraday lines of forces mettant en vidence le champ magntique N S Communication du Prof. Peter Day, RIGB Londres ; Voir aussi : The Philosophers Tree,The Institute of Physics Publishing, Bristol, 1999 laide de poudre de fer
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  • Un aimant cre un champ magntique rvl par la limaille de fer ou par dautres petits aimants
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  • Laimantation Quest-ce qui est aimant ? Quest-ce qui ne lest pas ?
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  • Champ magntique appliqu H aimant Aimantation Rmanente Champ Coercitif Aimantation : comment se comportent les objets dans un champ magntique ? Aimantation M (comment ils deviennent aimants ) dur 0 Aimant NdFeB
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  • Aimantation : comment se comportent les objets dans un champ magntique ? Champ magntique appliqu H aimant Aimantation M (comment ils deviennent aimants ) doux Aimantation Rmanente Champ Coercitif Le trombone !
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  • Temprature de Curie Quand un aimant ne lest plus ? Pierre Curie Amphithtre de Physiaue 12 Rue Cuvier 1900
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  • Pierre Curie Annales de Chimie 7me srie, V, 1895, 289 (Thse de P. Curie) Fonds documentaire ESPCI
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  • Les moments magntiques dun aimant sordonnent une temprature : temprature de Curie Solide paramagntique : agitation thermique (kT) plus forte que linteraction (J) entre moments magntiques Solide magntiquement ordonn agitation thermique (kT) plus faible que linteraction (J) entre moments magntiques Un ensemble de molcules / atomes : kT > J T C kT J Temprature d ordre magntique ou Temprature de Curie
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  • Ordre magntique : ferro-, antiferro- et ferri-magntisme + = Ferromagntisme : Moments magntiques identiques et parallles + = 0 Antiferromagntisme : Moments magntiques identiques et anti-parallles + = Ferrimagntisme (Nel) : Moments magntiques diffrents et anti-parallles
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  • Temprature de Curie Phase Paramagntique Aimant (Ordonn) Aimantation en fonction de la temprature
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  • Ordre Magntique : Temprature de Curie un dmonstrateur Voir le film sur le dispositif aimant oscillant
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  • Tout est magntique Pourquoi ?
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  • Do vient le magntisme ? llectron a diffrents visages de llectron !
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  • llectron, partie de latome lectron noyau
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  • Origine du Magntisme llectron * Je suis un lectron masse m e charge e - moment magntique B Tout est tout petit, lmentaire * noublions pas le magntisme du noyau !
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  • e-e- Moment magntique Orbital orbital = g l x B x orbital total = orbital + spin Moment magntique Intrinsque due au spin spin = g s x B x s B s = 1/2 spin Origine du Magntisme m s = 1/2 Orbite Spin
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  • Equation de Dirac (pour plus tard ) http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/history/PictDisplay/Dirac.html 19281905 Prix Nobel 1933 The Principles of Quantum Mechanics, 1930 P.A.M. Dirac P. Langevin A. Einstein
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  • Fonction donde Orbitale Spin Atome = Maison des lectrons Energie 3d 3p 3s 2s 2p 1s 3 4 2 1
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  • Electron : corpuscule et onde Fonction donde Hokusai, la grande vaque Kanagawa
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  • l = 0123 s p d Reprsentation angulaire Electron : corpuscule et onde Fonction donde ou orbitale n, l, m l
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  • Pour ranger les lectrons dans un atome il y a des rgles
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  • S = 1/2 Principe de construction ( AUFBAU ) On commence dabord par les niveaux les plus bas (construction, aufbau) M S = + 1/2 M S = - 1/2
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  • Vacant Doublement occup Orbitales Diagramme dnergie Simplement occup Electron : cest aussi un niveau dnergie Schrdinger : H( ) = E. Principe 1 (construction - Aufbau- ) : occuper dabord les niveaux les plus bas
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  • S = 0 Principe dexclusion (PAULI) A chaque niveau : deux lectrons seulement et avec des spins diffrents Haut Up Bas Down M S = + 1/2 M S = - 1/2
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  • Electron : orbitale et spin ! Simplement occup Up Down Paramagntique m S = 1/2
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  • Electron : orbitale et spin ! Doublement occup S = 1/2 - 1/2 = 0 Diamagntique Principe 2 : pas plus de DEUX lectrons par niveau (orbitale) avec des spins diffrents ! (principe dexclusion de Pauli)
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  • Fonction donde Orbitale Atome = Maison des lectrons Energie 3d 3p 3s 2s 2p 1s 3 4 2 1
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  • Alors, les molcules ? On les construit partir des atomes avec les mmes rgles !
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  • Construire une molcule partir de deux atomes Exemple le plus simple : le dihydrogne HHH2H2 molcule H atome S=1/2 H atome S=1/2 S=0 diamagntique
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  • Les molcules sont souvent considres comme des cratures isoles, non magntiques Dihydrogne Diamagntique Spin S = 0
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  • N 2 Diamagntique
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  • NNNN N2N2 Spin = 0 diamagntique Construire la molcule de diazote N 2 partir de deux atomes dazote N
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  • Le diazote est une molcule diamagntique p x p y p z N A E N-N N B diamagntique, spin S = 0 Tous les lectrons sont apparis dans des liaisons, la molcule est trs stable NB : Les spcialistes veilleront inverser le niveau et les niveaux
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  • On verse du diazote liquide Le diazote liquide nest pas attir diamagntique
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  • O 2 Paramagntique O 2 Liquide
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  • S = 0 S = 1 Principe de HUND LETAT HAUT SPIN est le plus STABLE 3 possibilits atome ou molcule
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  • Principe 3 (de Hund) : ltat le plus stable est celui o le spin est maximum Si 2 lectrons et 2 orbitales ? Embarras du choix ! S = 1/2 + 1/2 = 1 Paramagntique S = 1/2 - 1/2 = 0 Diamagntique
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  • OOOO O2O2 Spin = 1 Paramagntique Triplet Construire la molcule de dioxygne O 2 partir de deux atomes doxygne O 4 lectrons disponibles pour former les liaisons 4 lectrons et les deux derniers ? 8 lectrons
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  • Le dioxygne que nous respirons en permanence est une molcule magntique paramagntique, spin S : 1/2 + 1/2 =1 Orbitales molculaires orthogonales
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  • Le dioxygne liquide est attir O 2 est paramagntique
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  • Le dioxygne ltat fondamental a un spin S=1 (triplet) Sa ractivit est faible Deux lectrons clibataires ont des moments magntiques parallles Cela conditionne la vie arobie et permet notre existence dtres humains loin de lquilibre thermodynamique
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  • Chimiluminescence du luminol O 2 singulet Quand le dioxygne est dans un tat excit il peut devenir un singulet (spin S=0) et une nouvelle ractivit apparat.. O2O2
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  • dioxygne singulet (spin S=0) Ver luisant Source des documents : Nassau et Alvarez luminol
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  • Le chimiste au travail Complexes des lments de transition avec un seul ion mtallique Fte de la Science, UPMC, 21-22 novembre 2008
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  • La classification priodique Elments de transition
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  • Maison des lectrons Complexes des lments de transition M z y x ML6ML6 M L L L L L L M
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  • E 5 orbitales d Occupation Partielle Paramagntisme Conductivit x 2 -y 2 z 2 yzxzxy z x y Electrons non apparis Elments Transition
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  • Complexe ML 6 mononuclaire un seul ion mtallique entour de molcules E Eclatement des niveaux dnergie
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  • La couleur une manifestation de la prsence lectrons clibataires :
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  • de labsorption de la lumire par les molcules ! h Do vient la couleur ? d d Il y a des rgles ! permis : couleur intense ! interdit : incolore ou couleur faible !
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  • absorption de la lumire par les molcules ! h la couleur d d interdit : couleur faible mais dlicate !
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  • la couleur doublement interdit : presque incolore ! h h Interdit de renverser un spin ! Ion manganse(II) d d

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