Thème 6 : l'énergie Chap 4 Mécanique quantique I Ondes ou particules? I.1 La lumière L'énergie de la lumière est transportée par des photons qui

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1 Thème 6 : l'énergie Chap 4 Mécanique quantique I Ondes ou particules? I.1 La lumière L'énergie de la lumière est transportée par des photons qui présentent un aspect particulaire (les photons) et ondulatoire (un rayonnement).

2 L'énergie d'un photon d'un rayonnement de fréquence ν est : Joule (J) hertz (Hz) c= m.s -1 E=h ν= h c λ Constante de Planck h=6, J.s mètre (m)

3 I.2 La matière Activité 3 A p236 1) Exprimer la longueur d'onde : a. d'une onde électromagnétique associée à un photon d'énergie E λ= c ν et E=h. ν car la vitesse du photon est égale à c= m.s -1 On en déduit λ= h.c E

4 b. d'une onde de matière associée à une particule de masse m et de vitesse v faible devant la célérité de la lumière c. La quantité de mouvement pour un objet macroscopique est égale à p= m.v, on a donc λ= h p = h m.v

5 2. Calculer la longueur d'onde associée à : a. une bille de masse m= 3,5 g et de vitesse v=1,0 m.s -1 λ= h m v = 6, , ,0 =1, m b. un atome de néon de masse m = 3, kg et de vitesse v=2,0 m.s -1, dans le cas d'un gaz refroidi. λ= h m v = 6, , ,0 =9, m

6 c. ce même atome à une vitesse v= 1, m.s -1 typique d'un gaz à température ambiante. λ= h m v = 6, , =2, m

7 3. Des phénomènes de diffraction et d'interférence ont confirmé expérimentalement l'hypothèse de Louis de Broglie : ont-ils été observés avec des particules microscopiques (comme un atome), ou bien macroscopiques (comme une bille)? La longueur d onde de De Broglie est trop petite pour les particules macroscopiques (ordre de grandeur m) : les phénomènes de diffraction et d interférence n'ont été observés qu'avec des particules microscopiques.

8 A toute particule de quantité de mouvement p est associée un "onde de matière" de longueur d'onde λ telle que : Constante de Planck h=6, J.s mètre (m) λ= h p = h m v quantité de mouvement en kg.m.s -1 kg m.s -1

9 Dr Quantum

10 Activité 4 p237 Dans le cadre de l'expérience des fentes d'young, la figure d interférence est-elle visualisable, la source S émettant : a. de nombreux photons en même temps? 1. a. Lors de l émission de nombreux photons en même temps, la figure d interférence est visualisable. b. un seul photon après l'autre? b. Lors de l émission d un seul photon, la figure d interférence n est pas visualisable.

11 b. par une onde. En modélisant le photon par une onde, on comprend bien la répartition statistique selon les franges d interférences, mais pas un impact aléatoire sur l écran. 3. La répartition des photons sur la plaque photographique E est-elle équiprobable? La répartition des photons sur la plaque photographique E n est pas équiprobable : une figure d interférence se «dessine».

12 c. de nombreux photons, mais l'un après l'autre? Lors de l émission de nombreux photons, mais l un après l autre, la figure d interférence est visualisable. 2. Interpréter les trois cas précédents en modélisant la lumière : a. par une particule En modélisant le photon par une particule, on comprend bien un impact aléatoire sur l écran, mais pas la répartition statistique selon les franges d interférences.

13 4. Prévoir l aspect de la plaque photographique exposée pendant un long temps de pose, en supposant le processus complètement aléatoire. La plaque photographique exposée pendant un long temps de pose, en supposant le processus complètement aléatoire, serait uniformément éclairée par les photons.

14 Lire 3.2 p241

15 I.3 Phénomènes de diffraction Un faisceau de particules (électrons, protons, neutrons...) peut subir un phénomène de diffraction (cf Thème 1 «Les ondes») si sa longueur d'onde de de Broglie est de l'ordre de grandeur de la taille de l'objet diffractant. Ex 10, 12, 14 p244, 245

16 II Les lasers lire p238 et 239 Activité 1 p234 Animation : le laser 1. Dans le cas du laser à rubis, quel est l'effet du «pompage» (doc. 1) sur l'énergie des ions Cr 3+? L effet du «pompage» est de porter les ions Cr 3+ dans un état excité, donc d augmenter l énergie de ces ions.

17 3. Pourquoi l'onde est-elle fortement amplifiée? L onde est fortement amplifiée car l arrivée d un photon de fréquence adaptée ν provoque l émission stimulée d un nouveau photon de fréquence ν. 4.Grâce à quel dispositif récupère-t-on l'onde lumineuse à l'extérieur? L onde lumineuse est récupérée à l extérieur grâce à l un des deux miroirs qui est partiellement transparent.

18 2.a. Quelle doit être la «fréquence adaptée» de l'onde électromagnétique servant à provoquer le passage des ions Cr 3+ vers leur niveau inférieur? D'après le doc 1, la longueur d'onde de la radiation émise est λ=694nm, on a donc ν = c/λ = / = 4, Hz b. S'agit-il de niveaux électroniques ou vibrationnels? D'après la page de rabat, la longueur d'onde λ=694nm fait partie du domaine du visible. D'après la rubrique "s'informer", il s agit donc de transition entre niveaux électroniques

19 5. Proposer un argument pour justifier que l'onde du laser est : a. monochromatique Grâce à l'émission stimulée, tous les photons transportent la même énergie ΔE=h.ν La fréquence de l onde est donc unique b. «très directive» Tous les photons sont émis dans la même direction perpendiculaire aux miroirs. Ex1 Centre étranger 2013 Ex 4 p243 Objectif-bac 31,32 p251

20 Ce qu'il faut retenir - Le principe de fonctionnement du laser est basée sur l'émission stimulée (Lire paragraphe 1.3) - La lumière émise par un laser est plus cohérente, plus monochromatique et plus directive qu'une source classique. En outre, un faisceau laser peut transporter une grande densité d'énergie.