L3 Interfaces Physique-Chimie

Programme de L1 et L2 de mathématiques

Algèbre linéaire : calcul vectoriel, calcul matriciel, déterminants, diagonalisation.
Analyse dans Rn : dérivées partielles, opérateurs différentiels, calcul intégral : intégrales curvilignes et de surface, circulation et flux, formule de Stokes.
Intégrales généralisées.
Transformation de Fourier au sens des fonctions dans L¹ et L², dérivation, inversion, convolution.
Transformation de Fourier des fonctions de plusieurs variables.

Savoir mener des calculs de base utiles pour la physique en algèbre linéaire et en analyse vectorielle : approfondissement des acquis de L1 et L2
Manipuler les transformées de Fourier au sens des fonctions.

Mathematical Methods for Scientists and Engineers, Donald McQuarrie, University Science Books (2003)
Mathematical Methods for Physicists, G. B. Arkfen and H. J. Weber, Harcourt/Academic Press (2001)
Distributions et Transformation de Fourier, F. Roddier, Ediscience (1971, 1978)
C. Gasquet et P. Witomski, Analyse de Fourier et applications, ed. Dunod (2003)
J-M. Bony, Méthodes math. pour les sciences physiques, ed. Polytechnique (2004)

UE Méthodes numériques I du L2 iPC (ou équivalent)

Développement d'un programme écrit dans le langage Python pour résoudre numériquement des problèmes de physique ou de chimie.

Développer un programme pour résoudre numériquement un problème de physique ou de chimie en utilisant le langage Python.
Travailler en équipe en découpant les tâches nécessaires à la résolution du problème et à l'écriture du programme.
Ecrire un rapport technique.

Deux séances d'introduction permettront de revenir sur les notions de base de programmation dans le langage Python et ajouter quelques éléments nécessaires à la conduite du projet.
La dernière séance consistera en une présentation des projets de chacun des groupes d'étudiant.e.s.
Le reste des séances sera consacré à l'écriture du programme permettant de résoudre le problème étudié, par groupes de 3 ou 4. Des points d'étape réguliers seront faits avec l'équipe enseignante.

Attendus de l'UE Langue-Anglais3 : Niveau B2 minimum dans les 5 compétences linguistiques.

ANGLAIS DE SPÉCIALITÉ. Cette UE s'inscrit dans la continuité de l'UE Langue-Anglais2 tout en introduisant un
travail sur la langue de spécialité (scientifique et/ou de l'entreprise) : on prolongera l'approche actionnelle dans les 5 compétences (compréhension orale et écrite, expression écrite, expression orale en continu et en interaction) à partir de thèmes choisis selon la filière (interaction à travers de documents écrits et/ou audiovisuels centrés sur une problématique et un scénario de communication). La communication interculturelle pourra être abordée dans le cadre du cours.

Le travail se fera par groupes de niveau.

Attendus de l'UE Langue-Anglais3 : Niveau B2 minimum dans les 5 compétences linguistiques.

ANGLAIS DE SPÉCIALITÉ. Cette UE s'inscrit dans la continuité de l'UE Langue-Anglais2 tout en introduisant un
travail sur la langue de spécialité (scientifique et/ou de l'entreprise) : on prolongera l'approche actionnelle dans les 5 compétences (compréhension orale et écrite, expression écrite, expression orale en continu et en interaction) à partir de thèmes choisis selon la filière (interaction à travers de documents écrits et/ou audiovisuels centrés sur une problématique et un scénario de communication). La communication interculturelle pourra être abordée dans le cadre du cours.

Le travail se fera par groupes de niveau.

Deux sujets seront abordés en particulier :

       1. Géodynamique

Evolution du système terrestre : mouvements de la Terre et leurs conséquences
Enveloppes externes et internes de la Terre
Les phénomènes internes et externes et leurs manifestations en surface

• Champ magnétique terrestre, tectonique des plaques, croûte terrestre, volcanisme, tremblements de terre

• Formation des océans et de chaînes de montagnes

• Impact d'altération et du climat sur le relief

  2. La Terre dans le système solaire : planètes de notre système, en particulier les planètes telluriques et leur comparaison avec la Terre

Introduire le domaine des Sciences de la Terre.
Appréhender les techniques géophysiques (gravimétrie, sismique, magnétisme...) qui permettent une meilleure caractérisation et compréhension de l'évolution de la Terre.

Chimie générale S1 à S5

Volet diagnostic : de la molécule au dispositif et imagerie de métabolites
L'objectif de cette partie de l'UE est de partir des connaissances des cinq précédents semestres de licence en chimie pour les repositionner dans les domaines de la chimie supramoléculaire, des moteurs moléculaires et de la chimie de surface ainsi que de la chimie pour les technologies salle blanche. En partant de la molécule qui régit l'affinité avec un analyte, les grandes classes de capteurs miniaturisés seront décrites pour aboutir aux dispositifs fonctionnels. Ceci sera illustré par l'exemple des puces dédiées au diagnostic des troubles du mouvement par l'analyse du liquide céphalo rachidien.
Une initiation aux surfaces fonctionnalisées par des objets nanoluminescents sera proposée sous forme d'analyse d'articles. La question du diagnostic avec de telles surfaces sera investiguée (nanoparticules sensibles vs molécules sensibles). Les nano-objets présentés pourront faire écho à ceux présentés en seconde partie du module (voir plus bas).
Enfin un séminaire sur l'imagerie de métabolites et une visite seront proposés. Un séminaire sur la microfluidique par un intervenant EUGLOH (Lund) sera donné.

Volet thérapie : molécules et nanoagents contre le cancer
L'objectif est de mettre à profit les connaissances acquises les semestres précédents pour comprendre l'élaboration de molécules ou nanoagents pour la thérapie du cancer. Cette partie portera sur des aspects variés et se fera sous forme de séminaires donnés par des chimistes, physico-chimistes ou biochimistes. Ils porteront sur :

• Les "drugs delivery" (la délivrance de médicaments) pour le cancer
• L'élaboration de nanoparticules radioamplificatrices
• La radio immunothérapie.

Une visite de start up sera proposée.

L'objectif principal de cette UE serait d'illustrer la relation étroite qui existe entre la chimie, la physico-chimie et la santé.

Enseignement avec cours magistraux, travaux dirigés / pratiques d'analyse. Des formats non conventionnels seront aussi présents : séminaires, visites.
Documents pédagogiques disponibles sur e-campus.

Notions de chimie générale et de chimie organique du L1-L2 ou de DUT Chimie. Notions de base de biologie (lycée).

Généralités sur le risque chimique, physico-chimique et toxique au laboratoire, dans la société et pour l'environnement

Notions d'écotoxicologie et biogéochimie des polluants :

• Polluants dans l'environnement, divers types de pollutions
• Cycles biogéochimiques (carbone, azote...) et leur perturbation par l'Homme
• Impact des polluants sur les écosystèmes

Toxicologie humaine et impacts sur la santé :

• Origine et voies d'exposition aux substances étrangères xénobiotiques (alimentation, polluants, COVs, exposition professionnelle, industrie, agriculture...)
• Notions de toxicologie : toxicité aigüe, toxicité à long terme
• Métabolisme des xénobiotiques ; effets cellulaires (cibles)
• Exemples de xénobiotiques cancérogènes, reprotoxiques, perturbateurs endocriniens

OA1 : Etre sensibilisé aux risques physico-chimiques, toxiques et écotoxiques liés entre autres aux activités de chimie (recherche / industrie) et à leur prévention
OA2 : Acquérir des notions de base sur l'action des substances étrangères (xénobiotiques) sur l'organisme (toxicologie) et sur l'environnement (écotoxicologie)
OA3 : Savoir établir un état de l'art (au niveau licence) de synthèse bibliographique des connaissances concernant l'impact toxicologique et / ou écotoxicologique de substances xénobiotiques

Cours et travaux dirigés (dont études de cas). Mise à disposition de documents sous forme numérique. Travail personnel collaboratif des étudiants de synthèse bibliographique et analyse de publication scientifique, donnant lieu à une soutenance.

PICOT André, MONTANDON Frédéric (coordonnateurs). Ecotoxicochimie appliquée aux hydrocarbures. Editions Lavoisier. 2013.
PICOT André, DUCRET Jean. Sécurité et prévention des risques en laboratoire de chimie et de biologie (3e Edition). Editions Lavoisier. 2013.
RAMADE François. Introduction à l'écochimie - Les substances chimiques de l'écosphère à la homme. Editions Lavoisier. 2011.
RAMADE François. Eléments d'écologie. Ecologie appliquée (7e Edition). Editions Dunod. 2012.

Le cours a été conçu pour accueillir des étudiants sans ou avec des connaissances en programmation, en général, ou en programmation Python en particulier.

Dans la partie cours, commune aux deux parcours, on discutera de façon succincte le développement des ordinateurs (hardware) et de la programmation (software) avec focus sur des applications scientifiques. Dans les séances TD, les étudiants attaqueront sous la supervision de l’enseignant, des problèmes de programmation scientifique (en niveau croissante de difficulté, selon parcours). Pendant des certaines séances TD, des petites discussions seront menées pour aborder les concepts (informatiques et/ou scientifiques). Ces dernières pourraient être basées sur des articles scientifiques. Nous aurons l’intervention d’un/une chercheur/chercheuse (France ou l’étranger) dans le domaine du développement de logiciels scientifiques en chimie théorique. Ils/elles nous présenterons leur parcours scientifique et recherche. Les étudiants prépareront des questions au préalable. Enfin, vers la fin du semestre, nous mènerons une discussion sur un logiciel scientifique de libre distribution.

Afin de répondre aux différentes connaissances au préalable des étudiants, notre module présentera deux parcours en parallèle : (1) Parcours Programmation scientifique et modélisation en chimie : ce parcours fournira aux étudiants sans compétences en programmation avec une vision globale sur l’implémentation d’algorithmes et méthodes numériques en chimie, dans un sens large. (2) Parcours Modélisation en chimie théorique : l’objectif de ce parcours fournira aux étudiants une vision globale et plus approfondie sur l’implémentation de méthodes numériques dans les logiciels de chimie théorique dans un contexte moléculaire. Dans les deux cas, le langage de programmation de choix sera Python sous Numpy.

Les séances comporteront une courte introduction théorique sous la forme de cours participatif (contenus pas évaluables). Les travaux dirigés, à l’ordinateur, seront en individuel. L’UE sera évaluée à partir des cahiers d’exercices ou projet Jupyter. Les travaux dirigés peuvent être réalisés en français ou en anglais (choix de l’étudiant, voir remarques en bas).

N’importe quel cours Python, par exemple :
https://courspython.com/bases-python.html (français)
https://docs.python.org/3/tutorial/ (anglais)
https://realpython.com/ (anglais)

Un niveau d'anglais scientifique de base permettant de lire les documents scientifiques fournis
Programme de chimie générale et de physico-chimie de niveau L1 à L3

L'UE fonctionnera sous la forme de séances de cours/séminaires où les différents thèmes seront introduits et expliqués. A la suite, les étudiants seront répartis par groupes de 4-5 (au maximum) avec un sujet bibliographique alloué à chaque groupe. Ces sujets (en lien direct avec les thèmes abordés en cours) seront accompagnés de documents scientifiques (articles, extraits de livres ou de thèses, en anglais et en français) que chaque groupe devra étudier de manière critique (une grille de lecture et un questionnaire les guidera) pour en faire une synthèse critique sous forme d'un court rapport écrit et d'une présentation orale qui se fera en présence de l'ensemble des étudiants de l'UE. Des séances de TD seront consacrées à aider et à guider chaque groupe dans son étude bibliographique.

Thèmes principaux proposés :

• "Poussières et gaz dans le milieu interstellaire" : les briques initiales. Focalisation sur la photochimie des glaces et la confrontation entre simulation expérimentale en laboratoire et observations astrophysiques.
• "Les petits corps du système solaire et l'histoire de sa formation" : l'archéologie spatiale. Ce thème parlera des astéroïdes, des comètes et des missions spatiales actuelles ou récentes les concernant ainsi que des poussières extraterrestres et météorites qu'on analyse au laboratoire. On se focalisera ici sur l'aspect "chimie du carbone" et sur les techniques d'analyse physico-chimique.
• "Chimie du soufre sur Io" : un exemple d'objet totalement dépourvu de carbone et d'hydrogène et de ce point de vue totalement "exotique" pour la chimie classique étudiée habituellement. Modélisation thermodynamique des volcans d'Io et simulation expérimentale de la chimie du soufre à sa surface.

Il s'agit d'une UE d'introduction à l'astrochimie dont l'objectif principal est de montrer aux étudiants comment on s'appuie sur différents domaines de la chimie et connaissances de base en chimie pour étudier et comprendre l'histoire de la matière dans notre système solaire et au-delà.
Pour cela, l'UE se focalisera sur quelques objets astrophysiques pouvant varier d'une année à l'autre et qui seront abordés suivant le type de chimie ou domaine chimique les concernant.

Les étudiants seront notés sur leurs rapports écrits et sur leurs présentations orales. Le travail collectif et l'investissement individuel seront tous deux pris en compte.

"Sciences de la Terre et de l'Univers", sous la direction de J.-Y. Daniel, Editions Vuibert
"Aux confins du système solaire", A. Doressoundiram, E. Lellouch, Editions Belin - Pour la Science
"A la rencontre des comètes - De Halley à Rosetta", J. Lequeux, Th. Encrenaz, Editions Belin - Pour la Science
"Astronomie et Astrophysique", A. Acker, Editions Sciences Sup

Ce stage en laboratoire ou en entreprise vient compléter les enseignements plus théoriques dispensés dans les autres UE. Il intervient en fin d'année, à l'issue des enseignements académiques, et dure 6 semaines minimum.
Le sujet du stage doit porter sur un sujet lié aux centres d'intérêt du programme du L3 interfaces Physique-Chimie et peut être réalisé en France ou à l'étranger.
Il s'agit d'un travail expérimental, numérique ou théorique qui donne lieu à la rédaction d'un rapport de stage clair et concis et à une soutenance orale devant un jury composé de deux enseignants.
Sauf problème de confidentialité signalé par le tuteur du stage, les soutenances orales ont lieu en présence de tous les étudiants ayant effectué un stage en laboratoire ou en entreprise.
Les étudiants intéressés doivent se préoccuper de trouver rapidement une équipe d'accueil dans un laboratoire ou dans une entreprise qui accepte de les accueillir pour les faire travailler sur un sujet donné en Physique ou en Chimie.

Découvrir un laboratoire ou une entreprise.
Mener à bien un travail expérimental, numérique ou théorique avec l'aide d'un tuteur.
Présenter la problématique du travail et les résultats obtenus dans un rapport clair et concis.
S'exprimer en public (sauf problème de confidentialité signalé par le tuteur de stage) pour résumer le contexte et les conclusions du travail réalisé.

Mécanique spatiale - orbites et trajectoires des astres et satellites artificiels
Naissance et évolutions des systèmes solaires - étoiles, petits corps et planètes
Mesures isotopiques - datation et mise en évidence des processus astrophysiques
Transfert radiatif, bilans énergétiques et mesures associées
Instrumentation spatiale : l'exemple de la spectroscopie infrarouge

Découvrir les grands concepts liés aux systèmes stellaires et planétaires.
Etudier les principes physiques gouvernant la formation et l'évolution de ces systèmes ainsi que les moyens à disposition pour les caractériser.
Les illustrer par des exemples concrets comme ceux des missions spatiales notamment d'exploration du Système Solaire.

Cette option s'adresse à des étudiants de L3 qui souhaitent plus tard passer les concours de l'enseignement (CAPES, agrégation).
Elle vise notamment à donner une nouvelle approche expérimentale en abordant différents thèmes (optique, électronique, électromagnétisme, ondes, mécanique).

Acquérir de l'autonomie pour savoir exposer des expériences sur un thème donné, en présentant à la fois des manipulations de démonstration et des mesures soignées et exploitées.

Série de colles en mathématiques, physique et analyse de documents scientifiques.
Un programme de révision est proposé aux étudiants.

S'entraîner aux oraux des concours d'admission sur titre aux écoles d'ingénieurs.

Chimie du Solide / Thermodynamique / Chimie des solutions

Cours

• Les différentes classes de matériaux
• Propriétés des matériaux de structure : résistance mécanique et résistance à la corrosion
• Méthodes de caractérisation des matériaux

Cours / Conférences

• Les problématiques des matériaux pour les très grandes infrastructures de recherche : cas du LHC au CERN et de ITER (fusion nucléaire)
• Les enjeux des matériaux pour la construction d'une centrale nucléaire : étude de l'EPR
• Les matériaux dans le bâtiment : exemple du béton

TP

• Propriétés mécaniques des métaux et alliages (traction, microdureté, résilience)
• Méthodes microstructurales de caractérisation (MEB, micro optique)

Initiation dans le domaine des matériaux utilisés comme matériaux de structure et les matériaux spécifiques sous fortes contraintes environnementales (mécanique, chimique, thermique ou sous irradiation)

Enseignement de type classique avec cours magistraux et cours-conférence sur des domaines spécifiques, travaux pratiques ; projet et soutenance orale sur un sujet au choix ; documents pédagogiques disponibles sur e-campus.

Ashby et Jones : Matériaux 1. Propriétés et applications (Editions Dunod)

Le cours porte essentiellement sur les principes physiques appliqués aux champs :

• de l'imagerie médicale moderne : IRM, rayons X, médecine nucléaire
• des applications thérapeutiques : radiobiologie, radiothérapie, curiethérapie
• de la radioprotection

Les développements technologiques et la recherche dans ce domaine seront traités à travers différents exemples.

Introduire certaines des nombreuses méthodes diagnostiques et thérapeutiques utilisées en médecine et qui sont basées sur les concepts et technologies du domaine de la Physique.
Donner une vision globale des problèmes fondamentaux de physique en lien avec l'imagerie médicale, les traitements du cancer et la radioprotection.
Acquérir des notions de base d'interaction des rayonnements avec la matière biologique afin d'aborder les concepts et méthodes utilisés en physique médicale.

Les postulats de la Relativité et leurs conséquences : temps, espace et relativité - les postulats d'Einstein - dilatation des temps et contraction des longueurs - la transformation de Lorentz : simultanéite et causalité.
L'espace-temps : diagrammes d'espace-temps et applications - composition des vitesses, aberration de la lumière - espace de Minkowski : invariants de Lorentz, quadrivecteurs - l'effet Doppler.
Dynamique relativiste : dynamique des particules libres - référentiel du centre de masse - application aux collisions élastiques ou non, aux désintégrations - forces électromagnétiques et transformations des champs électrique et magnétique.

Découvrir les bases de la relativité restreinte pour des étudiants qui n'en aurait pas fait du tout au préalable.
Acquérir des éléments de culture scientifique indispensables à un physicien.
Introduire des connaissances qui seront utiles aux étudiants souhaitant travailler sur les particules de haute énergie comme ceux qui se destinent au M2 Grands Instruments.

Dans l'état solide, les matériaux présentent une grande diversité de propriétés physiques : électriques, magnétiques, thermiques, optiques, etc...
Nous essaierons de comprendre pourquoi en introduisant quelques modèles de base pour les propriétés les plus importantes, telle que la conduction électrique dans les métaux ou dans les semiconducteurs, le magnétisme ou encore les propriétés thermiques des solides. On expliquera les idées physiques et les modèles pour les transitions de phase magnétiques et de transition supraconductrice.
On discutera quelques unes des nouvelles propriétés liées à la miniaturisation et la nanotechnologie.
Dans ce cours introductif on présentera des calculs simples de manière à rester aussi quantitatif que possible, tout en mettant l'accent sur les idées physiques. Des connaissances de physique statistique et de mécanique quantique seront requises.

Prendre connaissance du monde des matériaux, de leurs structures et de quelques-unes de leurs propriétés physiques et des modèles théoriques de base

Les nanosciences et les nanotechnologies forment aujourd'hui un secteur stratégique de la recherche au carrefour de plusieurs disciplines (physique, chimie, biologie...). Cet enseignement est une introduction aux nanosciences en chimie. Il a pour objectif de sensibiliser les étudiants aux problèmes spécifiques liés à l'élaboration, à l'étude et aux propriétés des objets de taille nanoscopique.
Le cours porte sur les principales stratégies mises en oeuvre pour l'élaboration d'objets organiques, inorganiques et carbonés de taille nanoscopique (polymères organiques, polymères inorganiques, fullerènes et nanotubes de carbone). Il présente aussi les effets de taille sur les propriétés des objets ainsi que les problèmes de caractérisation liés à leur taille, les problèmes de toxicité et leurs applications dans divers domaines.

Deux séances de Travaux Pratiques pour illustrer des notions abordées en cours sont proposées :

• Synthèse de nanoparticules magnétiques d'oxyde de fer de taille contrôlée - ferrofluides
• Synthèse de billes de latex par polymérisation et émulsion

Cet enseignement est une introduction aux nanosciences en chimie. Il a pour objectif de sensibiliser les étudiants aux problèmes spécifiques liés à l'élaboration, à l'étude et aux propriétés des objets de taille nanoscopique.

Matériaux pour l'énergie nucléaire : définition ; classes de matériaux en fonction des applications (combustible, réacteur, entreposage ou stockage) ; spécificité des matériaux nucléaires : environnements radiatifs ; classification de sources d'irradiation en termes d'endommagement des solides (particules chargées : ions, électrons, positrons, neutrons, photons). Simulation expérimentale des effets de l'irradiation par faisceaux d'ions accélérés.
Physique de l'irradiation à l'échelle atomique : mécanismes d'interactions ; processus balistiques et électroniques ; mécanismes de création de défauts ; calcul de nombre de dpa (déplacements par atome) ; modélisation de l'endommagement par excitation électronique ; code de simulation SRIM.
Comportement sous irradiation de quelques matériaux pour le nucléaire : combustibles et matrices de transmutation (matériaux céramiques) ; aciers de cuve et gaine de zircalloy ; matrices d'entreposage et de stockage.
TP : utilisation du code de simulation SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter) ; application à l'endommagement d'un combustible nucléaire (fragments de fission de l'uranium, désintégration alpha des actinides).

Découvrir la production d'énergie nucléaire sous l'angle des matériaux qui lui sont dédiés.

Chimie physique et analytique niveau L2, Chimie des solutions niveau L2, Chimie organique niveau L2

Contenu théorique :

1. Introduction à la photophysique et à la photochimie

Introduction

• Bref historique
• Nature de la lumière
• Interaction lumière-matière

Etats excités et spectroscopies        

• Rappels sur les états d'énergie : diagramme de Perrin-Jablonski
• Spectroscopie électronique
• Spectroscopie des molécules organiques (alcènes, diazo, carbonyles, aromatiques)
• Processus de relaxation et propriétés des états excités

2. Quelques grandes réactions photochimiques et leurs applications

Les grandes réaction de photoisomérisation

• Introduction
• Cas des alcènes
• Cas des composés azoïques
• Applications

La photochimie des carbonyles excités

• Introduction
• Réactions de photocycloadditions [2+2]
• Réactions de Norrish
• Applications

Contenu pratique :

• Travail expérimental et bibliographique en équipe sur une des problématiques de photophysique / photochimie proposées
• Visite de la plateforme photochimie organique de l'ICMMO

Présentation de l'appareillage spécifique à la photophysique / photochimie

OAV1 : S'initier aux processus induits par la lumière : principes fondamentaux de la photochimie et de la photophysique
OAV2 : Comprendre et détailler les principales réactions de composés chimiques dans un état excité
OAV3 : Etudier et mettre en oeuvre expérimentalement des phénomènes ou réactions induits par la lumière et savoir en présenter les conclusions et perspectives

Organisation :
Enseignements avec cours magistraux, travaux dirigés, travaux pratiques et visite d'un laboratoire de recherche.
Mise à disposition d'éléments pédagogiques numériques (documents de cours et TD, annales et corrigés, tests en ligne).
Travaux Pratiques en équipes => restitution sous forme d'un oral.
Visite d'un laboratoire de recherche => restitution par rapport écrit.

Photophysique et Photochimie : des fondamentaux aux applications ; J. Delaire et al., EDP Sciences (2016)
Modern Molecular Photochemistry ; N. J. Turro, University Science Books (1991)
Invitation à la fluorescence moléculaire ; B. Valeur, De Boeck Université (2004)
Méthodes et techniques de la chimie organique ; D. Astruc (Chapitre 7) Presses Universitaires de Grenoble (1999)
Principles and Applications of Photochemistry ; B. Wardle, Wiley (2009)

Introduction à la physique nucléaire : propriété des noyaux (densité, énergie de masse, énergie de liaison, énergie d'appariement) ; modèles nucléaires (goutte liquide, gaz de Fermi) ; la carte des noyaux et vallée de stabilité.
Les décroissances radioactives : étude des différents mécanismes de désintégration des noyaux (radioactivité alpha et beta) et lois associées ; désexcitation gamma ; schémas de décroissance ; les familles radioactives naturelles (uranium et thorium) et les filiations radioactives associées ; mise à l'équilibre d'une chaîne radioactive (équilibre séculaire et activité du minerai d'uranium).
Les réactions nucléaires appliquées aux réactions de fission : technologie des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), mécanisme de fission, réactions induites par neutron et sections efficaces associées, noyaux fissiles et non fissiles, principe de la réaction en chaîne et criticité.
Introduction à l'effet de la radioactivité sur le corps humain : radioactivité naturelle et artificielle, grandeurs et unités pour caractériser l'effet des rayonnements ionisants, ordres de grandeurs.

Découvrir la production d'énergie nucléaire sous l'angle des processus physiques intervenant dans les réacteurs.

Connaissances élémentaires en spectroscopie (absorption UV-visible, fluorescence) et en électrochimie (loi de Nernst).
Aucun prérequis en biologie.

Introduction des notions de biologie nécessaires (protéines, ADN, éléments de biologie cellulaire)
Absorption UV-Visible : quelles sont les informations qu'on peut obtenir sur une macromolécule avec son spectre d'absorption.
Fluorescence :

• Applications de la fluorescence en biologie de la macromolécule (structure, fonction) à la cellule (imagerie de fluorescence, dynamique et interaction des protéines ; physicochimie du milieu cellulaire)
• Capteurs, dispositifs analytiques

Electrochimie :

• Compréhension des mécanismes de transfert d'électrons dans les molécules biologiques (introduction à la voltamétrie cyclique)
• Capteurs électrochimiques
• Application en biologie cellulaire (microélectrodes, microscopie électrochimique)

Travaux pratiques :

• Manip 1 : Fonctionnement d'un capteur à glucose pour le suivi du diabète
• Manip 2 : Suivi de la production de radicaux libres et activité superoxyde dismutase
• Manip 3 & 4 : Etude expérimentale et théorique de chromophores de protéines fluorescentes de la famille des GFP
• Manip 5 : Observation des interactions protéines-protéines en cellule vivante par FRET

Décrire la structure des protéines à différents niveaux (structures primaires à tertiaires)
Relier des propriétés spectroscopiques ou électrochimiques d'une biomolécule à sa structure tridimensionnelle
Utiliser des méthodes physico-chimiques différentes pour comprendre le fonctionnement des biomolécules

Cours/TD intégrés et TP en présentiel

Electrochimie - Des concepts aux applications ; Fabien Miomandre, Saïd Sadki, Pierre Audebert, Rachel Méallet-Renault, Editions Dunod
Invitation à la Fluorescence Moléculaire ; Bernard Valeur, Editions De Boeck

Cristallographie et structure des solides
Oxydo-réduction et électrochimie
Atomistique

Cours / TD

Contexte    

Les différentes sources et formes d'énergie    

Changement climatique et transition énergétique

"Nucléaire"    

• Les différentes formes d'énergie nucléaire : principes et utilisation
• Les matériaux actuels et d'avenir pour les réacteurs nucléaires
• Les déchets nucléaires et leur gestion

"Solaire"    

• L'effet photoélectrique : fonctionnement d'une cellule solaire
• Technologies actuelles et futures : matériaux, méthodes de fabrication
• Recyclage

"Conversion et stockage électrochimique de l'énergie"

• L'hydrogène comme vecteur énergétique (modes de production et de stockage)
• Stockage et conversion électrochimique (batteries, supercondensateurs...)

Comprendre la place des matériaux dans la transition énergétique
Comprendre les principes de fonctionnement d'un panneau solaire et les enjeux en termes de fabrication et de matériaux
Connaître les technologies clés de la filière hydrogène
Connaître le principe de fonctionnement et les matériaux utilisés dans les batteries
Connaître le principe de fonctionnement et les matériaux utilisés dans les réacteurs nucléaires (fission et fusion)

Enseignement de type classique avec cours magistraux, travaux dirigés, travaux pratiques. Documents pédagogiques disponibles sur e-campus. Exercices complémentaires proposés sous diverses formes (polycopiés, WIMS et / ou e-campus, étude d'articles scientifiques).

Electrochemical Energy Storage, J. M. Tarascon, P. Simon, Wiley, 2015
De l'oxydoréduction à l'électrochimie, Y. Verchier, F. Lemaître, Ellipses, 2006
Matériaux du nucléaire, Académie des Sciences, RST numéro 5, juillet 2020, Editions TEC & DOC

L2 Physique, L2 Chimie ou L2 interfaces Physique-Chimie

Contenus disciplinaires en physique et en chimie de niveau terminale spé physique chimie à L3 physique et chimie

Physique : mécanique, thermodynamique, optique, ondes et signaux, électromagnétisme, introduction à la physique quantique

Chimie : structure de la matière, chimie du solide, thermodynamique chimique, transformations nucléaires, transformations en solutions aqueuses et transformations organiques

Maîtriser les concepts théoriques disciplinaires au programme des épreuves écrites du concours du CAPES de physique chimie

Cours / TD, entrainement aux épreuves écrites du concours (CAPES blancs), évaluation écrite

Programme de la session 2026 pour la section physique chimie du CAPES-CAFEP par le Concours externe BAC +3 du CAPES

L2 Physique, L2 Chimie ou L2 interfaces Physique-Chimie

Renforcements disciplinaires en physique et chimie de niveau terminale spé physique chimie à L3 physique et chimie, réalisation de travaux pratiques

Physique : mécanique, thermodynamique, optique, ondes et signaux, électromagnétisme, introduction à la physique quantique

Chimie : structure de la matière, chimie du solide, thermodynamique chimique, transformations nucléaires, transformations en solutions aqueuses et transformations organiques

Maîtriser les concepts disciplinaires au programme du CAPES de physique chimie pour les épreuves écrites et orales, s'initier à la mise en oeuvre et à l'exploitation de dispositifs expérimentaux à des fins pédagogiques

Cours / TD, TP, entrainement aux épreuves écrites du concours (CAPES blancs), entrainements aux épreuves orales du concours (présentation d'oraux blancs notés), compte-rendus de TP notés

Programme de la session 2026 section physique chimie du CAPES-CAFEP par le concours externe BAC +3 du CAPES

L2 Physique, L2 Chimie ou L2 interfaces Physique-Chimie

Travaux Pratiques en physique ou en chimie - suivant le choix de la majeure et de la mineure - pour préparer l'épreuve 1 des oraux du CAPES, portant sur les capacités expérimentales et l'expression orale

Travaux en groupe pour préparer l'épreuve 2 des oraux du CAPES portant sur les motivations, valeurs de la République, et sur "se projet dans le métier de professeur"

Préparation épreuves orales du concours du CAPES de physique chimie

Savoir mettre en oeuvre et exploiter des dispositifs expérimentaux à des fins pédagogiques

Savoir expliciter sa motivation, se projeter dans le métier de professeur et connaitre les valeurs de la République

TD et TP avec évaluation écrite et orale (compte-rendus de TP, préparation d'oraux blancs)

1. UE Transformations de la matière du L1 S2 PCST
2. UE Physico-chimie des solutions aqueuses et analyse du L2 iPC
3. UE Thermochimie : spontanéité et équilibres du L2 iPC
4. Partie sur les équations différentielles de l’UE Mathématiques pour PCST du L1 S1 PCST

Cours / TD

1. Electrochimie

1.1. Potentiel chimique et électrochimique
1.2. Equation de Debye-Hückel et force ionique ; effet sur la solubilité
1.3. Potentiel absolu et relatif d'électrode ; électrodes de référence
1.4. Equation de Nernst
1.5. Diagrammes E=f(pH)
1.6. Piles et accumulateurs
1.7. Pile de concentration
1.8. Jonction liquide en régime stationnaire : potentiel de jonction
1.9. Transport de masse : diffusion, migration, convection
1.10. Conductivités spécifique, molaire et équivalente ; loi de Kohlrausch
1.11. Courbes I=f(E) ; systèmes électrochimiques rapides
2. Notions de cinétique chimique
2.1. Définition d’une vitesse de réaction, loi de vitesse et facteurs déterminants
2.2. Réactions simples, d’ordres entiers positifs
2.3. Réactions élémentaires
2.4. Lois d’évolution de la concentration
2.5. Temps de demi-réaction
2.6. Effet de la température : loi d'Arrhénius
2.7. Exemple(s) de mécanismes réactionnels simples (réactions réversibles ou successives ou parallèles)

1. Décrire le fonctionnement d’une pile
2. Appliquer l’équation de Nernst et l’équation de Debye-Hückel
3. Etablir et interpréter un diagramme E=f(pH) et une courbe I=f(E)
4. Ecrire des vitesses de réaction
5. Décrire l’évolution temporelle d’un système en réaction chimique dans le cadre d’une réaction d’ordre 0, 1 ou 2
6. Déterminer les caractéristiques cinétiques (ordre et constante de vitesse de réactions) à partir de données expérimentales temporelles
7. Appliquer la loi d’Arrhénius pour déterminer l’énergie d’activation d’une réaction à partir de données expérimentales
8. Schématiser le profil énergétique d’un acte élémentaire
9. Ecrire les lois de vitesse dans le cas de mécanismes réactionnels simples

Cours, TD et TP en présentiel. Notes de cours disponibles sur eCampus et exercices supplémentaires proposés sur WIMS. La note de contrôle continu pourra faire intervenir les notes des compte-rendus de TP, des notes de QCM réalisés pendant les TD et des notes obtenues lors d'évaluations par des moyens numériques.

TP :

1. Diagramme E = f(pH) du fer + influence de la force ionique sur la solubilité du PbI2
2. Courbes I = f(E) d'un complexe de fer

1. Electrochimie : des concepts aux applications par Fabien Miomandre, Saïd Sadki, Pierre Audebert et Rachel Méallet-Renault, 4ème édition aux éditions Dunod, 2019.
2. De l’oxydoréduction à l’électrochimie par Yann Verchier et Frédéric Lemaître aux éditions Ellipses, 2006.
3. Electrochimie physique et analytique par Hubert H. Girault, 2ème édition aux éditions Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, 2012.
4. Cinétique chimique par Claude Moreau et Jean-Paul Payen dans la collection Belin Sup Sciences, 1988.
5. Cours de Chimie-Physique par Paul Arnaud aux éditions Dunod.
6. Chimie : exercices et problèmes corrigés, 2ème année PC-PC* par Bruno Fosse, Jean-Bernard Baudin et Frédéric Lahitète aux éditions Dunod, 2006.

1. UE Orbitales atomiques et moléculaires du L2 iPC
2. UE Chimie inorganique : introduction aux complexes de coordination du L2 iPC

Outils de la symétrie moléculaire
Exploitation des propriétés de symétrie des édifices moléculaires pour le traitement des propriétés électroniques et spectroscopiques des molécules

• Attribution d'un groupe ponctuel à une molécule
• Réduction d’une représentation quelconque en représentations irréductibles
• Tables des caractères
• Orbitales de symétrie et opérateurs projection
• Attribution des symétries des vibrations moléculaires
• Spectroscopie et règles de sélection
• Diagramme qualitatif d’énergie (molécules avec atome central – molécules à système pi sans atome central)

Chimie des métaux de transition
Structure électronique des complexes de coordination, complexes organométalliques, polymères de coordination, oxydes

• Description des complexes
• Modèles utilisés pour décrire leur structure électronique et approximations associées
• Outils expérimentaux permettant l'étude de la structure électronique

1. Déduire le groupe de symétrie d’une molécule en analysant les éléments de symétrie
2. Déterminer les niveaux d’énergie électronique (termes spectroscopiques) d’un atome ou d’une molécule en utilisant les groupes de symétrie
3. Retrouver la symétrie des orbitales moléculaires à partir de la théorie des groupes
4. Maîtriser les outils indispensables pour décrire la structure électronique d'un métal dans le champ de ligands (complexes de coordination, complexes organométalliques, polymères de coordination, oxydes...) : connaître les différents modèles et approximations associées à ces modèles, être capable de choisir et mettre en œuvre le modèle le plus approprié en fonction du problème posé

Enseignement de type classique avec cours magistraux, travaux dirigés et mise à disposition d’éléments pédagogiques numériques
(documents de cours et TD, annales et corrigés)

D.S. Schonland, La symétrie moléculaire Introduction à la théorie des groupes et à ses applications à la chimie, Paris Gauthier-Villars cop. 1971 ;
F.A. Cotton, Applications de la théorie des groupes à la chimie, Dunod, Paris, 1968 ;
S.F.A. Kettle, Symétrie et structure : théorie des groupes en chimie, Masson, Paris, 1997 ;
D. S. Schonland, A.J. Casadevall, Chimie inorganique, De Boeck Université ;
D.F. Shriver, P. William Atkins, Chemical Applications of Group Theory, 3rd Ed., F. Albert Cotton, Wiley & Sons Ed. ;
K.F. Purcell, J.C. Kotz, Inorganic Chemistry, Saunders, Philadelphie, 1985 ;
D.F. Shriver, P.W. Atkins, Inorganic Chemistry, Oxford University Press, Oxford, 1999 ;
J. E. Huheey et al, Chimie inorganique, de Boeck, Paris, 1996 ;
F.A. Cotton et al, Advanced Inorganic Chemistry , Wiley, New-York, 1999 et éds précédentes ;
A. Earnshaw, M. Greenwood, Chemistry of the Elements, Wiley, New-York, 1987 ;
G. L. Miessler and D. A. Tarr, Inorganic Chemistry, 2nd Ed, Prentice Hall, 1999.

Analyser les composés issus de la synthèse organique et inorganique par différentes méthodes. Dosages, IR, UV-visible, chromatographie sur couche mince (CCM), chromatographie en phase gazeuse (CPG), couplage chromatographie en phase gazeuse/spectrométrie de masse GC/MS) et RMN.

• Généralités avec l'acide benzoïque : IR, point de fusion (PF), masse et RMN.
• Généralités avec la recristallisation et distillation : pression normale et réduite, CPG, IR, PF, CCM, Masse et RMN.
• Synthèse arôme : distillation, CPG, PF, RMN, masse.
• Nitration acétanilide : PF, CCM, RMN, masse et UV.
• Préparation de complexes de métaux de transition à base de cuivre.
• Dosage de complexes de métaux de transition.
• Détermination de volumes molaires partiels dans une solution binaire.

L’objectif de cet enseignement est de familiariser les étudiants aux techniques de synthèse les plus courantes en chimie mais également de leur permettre d’utiliser les techniques d’analyses, notamment spectrochimiques, fréquemment utilisées pour caractériser et étudier le composé formé.

• Mettre en œuvre des méthodes simples de synthèses organiques et inorganiques
• Calculer des rendements de synthèse
• Analyser la pureté des composés élaborés par différentes techniques
• Interpréter des propriétés spectroscopiques et chimiques de complexes de métaux de transition
• Mettre en œuvre une méthode thermodynamique d'étude d'un mélange binaire eau-éthanol

P. Vollhardt, N. Schore, « Traité de chimie organique », De Boeck, 2004.
Ch. Picard, « Thermochimie », De Boeck, 1997.
M. Guernet et al., « Chimie analytique : équilibres en solution », Dunod, 2006.
F. Shriver, W. Atkins « Chimie inorganique », De Boeck, 2001.

Chimie L2 parcours L2iPC ou L2 Chimie

Présentation des généralités sur la réactivité et étude des mécanismes réactionnels sur différentes fonctions organiques :

• Généralités sur la réactivité en chimie organique : mécanismes, aspect énergétique, classification.
• Réactifs électrophiles et nucléophiles : définition, pouvoir nucléophile, réactions de type ionique.
• Etude de la réactivité des fonctions simples : hydrocarbures aliphatiques et aromatiques.
• Organomagnésiens mixtes, cuprates et lithiens, Alcools, éthers-oxydes et époxydes.
• Amines aliphatiques et aromatiques.
• Composés carbonylés et acides carboxyliques.

OA 1 : Réactivité et mécanismes réactionnels : aspects énergétiques des réactions
OA 2 : Réactifs électrophiles et nucléophiles et facteurs influençant le pouvoir nucléophile
OA 3 : Etude de fonctions simples

Enseignements avec cours magistraux et travaux dirigés. Mise à disposition d’éléments pédagogiques numériques, documents de cours et TD, annales de partiels et d’examens.

Traité de chimie organique, Vollhardt, Schore, De Boeck université

Statique des fluides, loi fondamentale, théorème d'Archimède
Cinématique des fluides, description de Lagrange et d'Euler, écoulements stationnaires/instationnaires, compressibles/incompressibles et rotationnels/irrotationnels
Dynamique des fluides parfaits et fluides réels, théorème de Bernoulli, équation d'Euler

TP (1 parmi 2) :

Mesures de débit Ecoulement laminaire dans une conduite

Etudier le déplacement et la déformation continue du fluide
Décrire des fluides au repos : hydrostatique, applications
Etudier la cinématique et la dynamique des fluides en mouvement pour des fluides parfaits ou visqueux : exemples d'applications d'aérodynamique et d'hydrodynamique

Brebec, Mécanique des fluides, H-Prépa, Hachette
Pour aller plus loin : Guyon, Hulin et Petit, Hydrodynamique, EDP Sciences 2001

1. Méthodes d'analyse des circuits d'électronique

• Notion de sources de tension et de courant
• Lois de Kirchoff
• Théorèmes de Thévenin et Norton 
• Fonction de transfert 
• Diagramme de Bode

2. Diode

• Diode à jonction PN 
• Redressement 
• Diode zener

3. Amplificateur opérationnel (AO)

• AO en régime linéaire (caractéristique réelle et idéale) 
• AO en régime saturé

1. Applications des Amplificateurs Opérationnels

4. Applications des Amplificateurs Opérationnels

Travaux Pratiques :
Caractéristiques des diodes
Applications des diodes
Amplificateur Opérationnel
Filtres d'ordres un et deux

Utiliser les techniques d'analyses et de mesures des circuits d'électronique de base dans une chaîne d'acquisition de mesures.
Illustrer la physique des semi-conducteurs à travers l'exemple de la diode à jonction PN.

UE Mécanique Ondulatoire du L2 iPC UE Phénomènes quantiques appliqués à la physique et à la chimie du S5 L3 iPC

Validité de l'approche probabiliste, domaines d'application, variables aléatoires, espérance. Distributions discrètes. Variables aléatoires continues, densité de probabilité, fonctions de variables aléatoires, espace des phases, concept d'équilibre, hypothèse ergodique. Densité d'états et entropie statistique - les ensembles de Gibbs. L'ensemble micro-canonique, principe d'équiprobabilité, température microcanonique. L'ensemble canonique et distribution de Maxwell-Boltzmann. Application à la théorie cinétique des gaz, paramagnétisme, spin en mécanique quantique, loi de Brillouin. L'ensemble grand-canonique et les statistiques quantiques (Distribution de Bose-Einstein, loi de Planck et rayonnement du corps noir. Capacité calorifique de photons, distribution de Fermi-Dirac. Capacité calorifique d'un gaz d'électrons).

Introduire les premiers concepts et les outils de la physique statistique à l'équilibre. Decrire les propriétés macroscopiques, observables de la matière à partir de celles de leurs constituants élémentaires. Traiter le cas du gaz sans interaction dans le cadre de la théorie cinétique des gaz.

Physique statistique, B. Diu et coll. (Ed. Hermann) Statistical Physics: Berkeley Physics Cours, F. Reif (Ed. First Edition)

Electromagnétisme I (L1 S2)
Electromagnétisme II (L2 S3)
Electromagnétisme III (L2 S4)

Ondes électromagnétiques dans le vide

• Equation d'onde, ondes planes monochromatiques
• Aspects énergétiques : densité d'énergie électromagnétique, vecteur de Poynting, théorème de conservation de l'énergie, pression de radiation

Ondes électromagnétiques dans les milieux matériels

• Reformulation des équations de Maxwell, relations de passage à une interface entre deux milieux
• Relations constitutives pour les milieux LHI (linéaires homogènes et isotropes)
• Dispersion et absorption ; indice de réfraction complexe
• Modèles microscopiques classiques pour la fonction de réponse diélectrique (modèle de Debye, modèle de Drude, modèle de Lorentz)
• Propagation des ondes électromagnétiques dans les milieux LHI non-magnétiques simples : équation d'onde, équation de Helmholtz

Ondes électromagnétiques aux interfaces

• Lois de Snell-Descartes
• Coefficients de Fresnel en amplitude et en énergie
• Incidence de Brewster ; réflexion totale

Polarisation des ondes électromagnétiques

• Etats de polarisation ; formalisme de Jones
• Polariseurs. Lames à retard de phase

Ondes guidées et confinées

• Guides métalliques creux : modes TE et TM ; dispersion des modes guidés
• Cavités résonnantes métalliques rectangulaires : fréquences et modes propres, facteur de qualité

Rayonnement dipolaire électrique

Décrire et comprendre la propagation des ondes électromagnétiques dans différents milieux (vide, diélectrique, plasma, métal) ainsi qu'à l'interface entre deux milieux

Electromagnétisme 1 et 2, R. Feynman, R. Leighton, M. Sands, Dunod, 2019
Introduction to electrodynamics, D. J. Griffith, Cambridge University Press, 2019
Modern electrodynamics, A. Zangwill, Cambridge University Press, 2012
Electrodynamique classique, Dunod, 2021

Mécanique du L1 PC ou MP S1 et S2

Mécanique du L2 iPC ou du L2P

I. Systèmes d'oscillateurs harmoniques couplés linéairement

1. Oscillations libres de systèmes à 1 ou 2 degrés de liberté : exemples, équations du mouvement et résolution, facteur de qualité, aspects énergétiques, analyse en modes, battements, rôle de la dissipation.
2. Oscillations forcées de systèmes à 1 ou 2 degrés de liberté : exemples, étude détaillée du régime permanent, aspects énergétiques et résonance, couplage d'oscillateurs, applications.
3. Oscillation des systèmes à N degrés de liberté : modes propres des systèmes à N degrés de liberté.

II. Dynamique des solides indéformables (suite de l'enseignement de L2)

1. Description d'un solide et de son mouvement - Généralités : limite continue de la distribution de masse, repérage de la position, théorème d'Euler, vitesse angulaire.
2. Mouvement de rotation autour d'un point : théorème du moment cinétique, tenseur d'inertie, propriété du tenseur d'inertie, stabilité d'un solide en rotation, effets gyroscopiques, angles d'Euler, mouvement libre d'un solide - théorème de Poinsot.

III. Introduction à la mécanique analytique

1. Equations de Lagrange, coordonnées cycliques, applications
2. Equations de Hamilton, espace des phases, transformations canoniques, variables action/angle, système intégrable ou chaotique
3. Crochets de Poisson et équations de Liouville

Savoir formaliser mathématiquement une situation physique mettant en jeu des oscillateurs mécaniques et/ou des solides indéformables ; dans le but d'en prédire la dynamique et de faire des bilans énergétiques

Savoir établir les équations de Lagrange d'un système mécanique formé de masses ponctuelles ou/et de solides indéformables. Acquérir des notions de mécanique Hamiltonienne, transformations canoniques, espace des phases, variables action-angles, systèmes intégrables ou chaotiques

Description des systèmes hydrogénoïdes.
Règles pour l’écriture et écriture de la configuration électronique d’un atome ou d’un ion
Description onde/particule de la lumière

Spectroscopie atomique

1. Interaction matière-rayonnement
2. L’atome polyélectronique
3. L’interaction spin-orbite
4. Transition optique dans les atomes

Spectroscopie moléculaire

1. Introduction à la structure moléculaire
2. Spectroscopie rovibrationnelle de la molécule diatomique

TP : spectroscopie de rotation-vibration par transformée de Fourier de CO et HCl.

Prédire les transitions atomiques permises par interaction lumière-matière dipolaire électrique.
Décrire les états atomiques en utilisant différentes approximations.
Interpréter et prédire les caractéristiques spectroscopiques d’une molécule en utilisant la structure électronique et les règles de sélection.
Choisir une technique spectroscopique adaptée aux informations recherchées.

Spectroscopie, J.M. Hollas, Dunod
Chimie physique, P.W. Atkins, Oxford University Press

1. UE De l’atome à la molécule du L1 S1 PCST
2. UE Structure et propriétés des solides du L2 S3 iPC

L’état cristallin

• Définition
• Périodicité
• La cohésion dans les cristaux

Symétries ponctuelles et de translation

• Symétrie ponctuelle, notations, projection stéréographique
• Eléments de symétrie avec translation

Groupes d’espace

• Classes cristallines, notations des groupes d’espace
• Multiplicité du groupe d’espace et du site

Symétrie et propriétés physico-chimiques intrinsèques des cristaux

• Principe de Neumann-Curie
• Le tenseur comme outil pour représenter les propriétés physico-chimiques du solide cristallin
• Anisotropie cristalline et tenseurs de rang 2

Etude des édifices cristallins par diffraction des rayons X

• Les différents processus d’interaction rayons X - matière
• Réseau réciproque : définition et propriétés
• Diffraction par les cristaux : facteur de structure, conditions d’extinction, géométrie du processus de diffraction dans un cristal, loi de Bragg

1 – Connaître les caractéristiques de l’état cristallin

• Identifier la maille et le motif d’un réseau cristallin périodique
• Identifier l’unité asymétrique
• Identifier les plans réticulaires

2 – Connaître les bases de la cristallographie

• Identifier les éléments de symétrie ponctuelle
• Identifier les éléments de symétrie de translation
• Construire, utiliser et composer les opérations de symétrie
• Identifier les groupes d’espace et leurs éléments de symétrie

3 – Faire le lien entre la symétrie et les propriétés physico-chimiques intrinsèques

• Savoir énoncer le principe de Neumann-Curie
• Prévoir l’anisotropie de quelques propriétés physico-chimiques intrinsèques à partir des symétries du cristal

4 – Connaître les bases de radiocristallographie

• Construire un réseau réciproque
• Calculer les facteurs de structure et en déduire les règles d’extinction
• Déterminer la structure d’un solide cristallin à partir d’un diffractogramme de poudre

Cristallographie géométrique et radiocristallographie, J.J. Rousseau, Dunod 2000
Introduction à la cristallographie et à la chimie structurale, M. Van Meerssche et J. Feneau-Dupont, Peeters 1984
Cristallographie pour la chimie et les matériaux, F. Theobald, Université Paris-Sud, 1992
Physique des matériaux, Y. Quéré, Ellipses 1988
Physique de l’état solide, C. Kittel, Dunod 2007

Mathématiques (L2) : algèbre linéaire et équation différentielle du 2ème ordre

Ce cours présente les principaux phénomènes et concepts de la physique quantique (dualité onde/corpuscule, quantification de l'énergie, principe d'incertitude, systèmes à deux niveaux, moment cinétique intrinsèque...), illustrés par des cas concrets d'applications en physique-chimie.

Concepts de mécanique quantique abordés :
Introduction historique et rappels sur la dualité onde-corpuscule, fonction d'onde, équation de Schrödinger, paquet d'ondes
Description générale d'un système quantique (espace de Hilbert, processus de mesure, systèmes à deux niveaux, couplage et résonance)
Postulats de la mécanique quantique, notions d'observables, commutation et relation d'incertitude de Heisenberg
Formalisme de Dirac
Moment cinétique intrinsèque et orbitale

Exemples d'applications étudiées :
Spin de l'électron et Résonance Magnétique Nucléaire
Quanta et laser
Microscope à effet tunnel
Liaison chimique, boîte quantique, gaz d'électrons bidimensionnel
Antimatière, détecteurs à particules, tomographie à émission de positrons (PET)
Oscillateur harmonique et spectroscopie infrarouge, capacité calorifique

Acquérir les bases de la mécanique quantique pour comprendre les applications modernes en physique-chimie.

Cours - introduction
C. Texier, Mécanique quantique (Dunod)

Vulgarisation
T. Damour & M. Burniat, Le mystère du monde quantique (Dargaud)
E. Klein, Petit voyage dans le monde des quanta (Champs sciences)
J. Bobroff & F. Bouquet, toutestquantique.fr

Cours - Avancés
M. Le Bellac, Physique quantique (EDP)
J.-L. Basdevant & J. Dalibard, Mécanique quantique (Ed. Ecole Polytechnique)
C. Cohen-Tannoudji, B. Diu & F. Laloë, Mécanique quantique, 1 et 2 (Hermann)
A. Messiah, Mécanique quantique, tome 1 et 2 (Dunod)
L. Landau & E. Lifchitz, Mécanique quantique, tome 3 (Mir)

1. UE Transformations de la matière du L1 S2 PCST
2. UE Thermodynamique physique du L1 S2 PCST
3. UE Thermodynamique : spontanéité et équilibres du L2 iPC

Partie thermochimie

1. Application du potentiel chimique au corps pur et aux solutions de non-électrolytes

1.1. Potentiel chimique du corps pur : état de référence, variation avec la pression
1.2. Généralités sur les solutions : composition, grandeurs molaires partielles, grandeurs de mélange, solution idéale et réelle
1.3. Solutions de non-électrolytes : loi de Henry et loi de Raoult

2. Application du potentiel chimique aux diagrammes binaires

2.1. Liquide – vapeur : mélange idéal, mélange réel, azéotropie, miscibilité à l’état liquide, construction et utilisation des diagrammes, application à la distillation
2.2. Solide – liquide : mélange idéal, eutectique, composé défini. Construction et utilisation des diagrammes, application à l’élaboration de matériaux

Partie thermophysique

1. Ecritures différentielles et utilisation des coefficients calorimétriques et thermo-élastiques

2. Changements d’état et diagrammes de phases du corps pur

2.1. Formule de Clausius-Clapeyron
2.2. Utilisation et lecture des diagrammes (P, T), (P, V), (T, S)
2.3. Utilisation et lecture du diagramme de Mollier ((h, s) ou (P, h))

3. Machines thermiques

3.1. Principe de fonctionnement
3.2. Diagramme de Raveau
3.3. Cycle de Carnot
3.4. Calcul du rendement d’une machine thermique
3.5. Exemples de machines (différents cycles moteurs, cycle de Rankine pour réfrigérateur/pompe à chaleur), tracé et lecture de cycles thermiques en utilisant les diagrammes vus au chapitre précédent
3.6. Illustration en salle de TP par l’observation du fonctionnement d’un moteur de Stirling et d’une pompe à chaleur. Exploitation des résultats des mesures en séance de TD

Travaux pratiques
Mesure de la vapeur saturante de l’eau

Partie thermochimie
1 – Connaître les hypothèses applicables aux solutions de non-électrolytes et leurs domaines de validité

• Distinguer les zones d’applications des lois de Raoult et de Henry
• Calculer des grandeurs de mélange
• Appliquer la méthode de Roozeboom pour déterminer des grandeurs molaires partielles

2 – Identifier les différents domaines et zones particulières d’un diagramme binaire (phases, composition, composés définis, azéotropes/eutectiques)

• Etablir un diagramme binaire à partir des courbes de refroidissement
• Identifier les différents domaines (polyphasés, monophasés, azéotrope, eutectique…)
• Calculer la formule d’un composé défini
• Déduire des diagrammes les compositions des phases en équilibre et les quantités de matière

3 – Imaginer une expérience de distillation ou de synthèse en se basant sur des diagrammes binaires

• Concevoir un protocole pour réaliser la purification d’un produit liquide
• Elaborer une méthode permettant d’obtenir un composé solide de composition déterminée

Partie thermophysique
1- Maîtriser la démarche thermodynamique

• Savoir faire le bilan énergétique et entropique d’un système
• Savoir tirer parti des propriétés mathématiques des fonctions d’état pour résoudre une question de thermodynamique
• Appliquer les principes de la thermodynamique à des problèmes tirés de domaines divers de la physique

2- Combiner approches théorique et pratique

• Comprendre le fonctionnement des machines thermiques
• Utiliser différents types de diagrammes ((P, V), (T, S) et Mollier) pour étudier une machine thermique
• Mettre au point une expérience permettant de mesurer la pression de vapeur saturante d’un liquide en fonction de sa température, et de déduire sa chaleur latente de vaporisation

Une partie de l’enseignement sera dispensée sous forme de projets de fin d’UE avec production d’un document écrit et soutenance du projet. Une évaluation de la production par les pairs, au moyen d’une grille critériée fournie par l’équipe pédagogique, aura également lieu.

Thermodynamique 1ère année MPSI/PCSI/PTSI : cours avec exercices corrigés, Jean-Marie Brébec et al., Hachette Éducation, 2003.
Thermodynamique 2ème année MP-MP*/PC-PC*/PSI-PSI*/PT-PT*: cours avec exercices corrigés, Jean-Marie Brébec et al., Hachette Éducation, 2004.
L’indispensable sur les diagrammes de phases, Jean-Luc Bonardet et al., Bréal 2010.
Thermodynamique appliquée : diagrammes de phases, équilibres chimiques, systèmes unaires, binaires, ternaires, cours et applications, Abdel-Waheb Kolski, Ellipses, 2017.
Exercices et problèmes de thermodynamique physique, Pierre Grécias, 2e édition, Paris : Tec & Doc, 1995.