Ch.15 TRANSFERTS QUANTIQUES D ENERGIE ET DUALITE ONDE-PARTICULE

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1 Thème2 : Comprendre. Lois et modèles. Energie, matière et rayonnement P : 1 Ch.15 TRANSFERTS QUANTIQUES D ENERGIE ET DUALITE ONDE-PARTICULE EXERCICES CORRIGES N 21 p : Ch.15. Milieu laser solide ou gazeux Compétences : Mobiliser ses connaissances; extraire des informations. Les lasers diffèrent par la nature de leur milieu laser. Dans un laser à solide comme le laser à rubis, un éclair lumineux excite les ions Cr3+ d'un barreau cylindrique de rubis. Il y a alors émission stimulée de photons. Les extrémités de ce barreau sont recouvertes de feuilles d'aluminium jouant le rôle de miroirs. Dans un laser à gaz comme le laser He-Ne, une décharge électrique excite les atomes du gaz, principalement ceux d'hélium, cinq fois plus concentrés que ceux de néon. Par collision, les atomes d'hélium excitent à leur tour les atomes de néon qui vont pouvoir émettre des photons par émission stimulée. Deux miroirs sont placés aux extrémités de l'ampoule de verre contenant le mélange. Dans les deux cas, il y a amplification de la lumière émise avec une longueur d'onde de 694 nm pour le laser à rubis, de 633 nm pour le laser hélium-néon. 1. Rappeler le principe d'une émission stimulée. 2. Dans quel but réalise-t-on une inversion de population? 3. Identifier pour chaque cas : a. le milieu laser; b. le moyen utilisé pour exciter les entités du milieu laser. 3. Quel est le rôle respectif des feuilles d'aluminium et des miroirs dans ces lasers? 4. Dans quel laser le photon transporte-t-il le plus d'énergie? 1. Lors d une émission stimulée, un photon de fréquence appropriée stimule l émission d un photon (de mêmes fréquence, phase, direction et sens de propagation) par un atome préalablement excité. Il faut que l énergie du photon incident corresponde à l écart entre deux niveaux d énergie de l atome. 2. Afin d augmenter le nombre d émissions stimulées, il faut que la proportion d atomes dans un état excité soit plus grande que celle des atomes dans l état fondamental. Remarque : il faut noter que la probabilité d absorption des photons utiles à la stimulation des atomes excités par des atomes non excités est alors faible. C est ce que permet de réaliser l inversion de population. 3. a. et b 4. Le rôle des feuilles d aluminium et des miroirs est le même : amplifier le rayonnement grâce aux réflexions successives des photons. 3. a. et b Laser à rubis Laser He-Ne Milieu laser Le barreau de rubis contenant les ions chrome (III) Cr 3+ Le mélange gazeux contenant les atomes de néon Excitation Excitation par l éclair lumineux (pompage optique) Excitation des atomes de néon par collision avec des atomes d hélium (eux-mêmes excités par décharge électrique) 5. D après la relation E = h.ν = h c les photons émis par le laser hélium-néon transportent plus d énergie que ceux émis par le laser à rubis. λ N 22 p : 393 Ch.15 : Applications des lasers. Compétences : Mobiliser ses connaissances; raisonner. Les lasers sont utilisés dans de nombreux domaines aussi bien scientifiques que techniques. 1. Rappeler les principales propriétés du laser. on- 2. Identifier la propriété du laser essentiellement utilisée par chacune des applications suivantes. a. Les lasers sont utilisés en médecine pour inciser ou cautériser certains tissus sans toucher les tissus voisins. b. Les lasers sont utilisés pour la séparation isotopique : la fréquence d'un photon permettant d'arracher un électron à un atome n'est pas tout à fait la même selon l'isotope de l'élément considéré. c. Les lasers sont utilisés dans l'industrie pour découper ou percer des matériaux durs comme des aciers. d. Les lasers sont utilisés en altimétrie et en télémétrie pour mesurer des distances comme la distance Terre-Lune : des réflecteurs de petites dimensions, déposés sur notre satellite naturel par la mission Apollo 11, sont visés depuis la Terre par un faisceau laser. On mesure la durée d'un aller-retour pour en déduire la distance. e. Afin de repérer des défauts sur les surfaces d'objets, on analyse la figure d'interférences obtenue à partir d'une lumière laser. 1. Un laser émet un faisceau lumineux cohérent, monochromatique, très directif, concentrant l énergie lumineuse dans le temps et l espace. 2. a. La directivité : il ne faut pas que les rayons lumineux divergent si on veut cibler précisément une zone à opérer. b. La monochromaticité : un isotope est ionisé sélectivement ; pour cela, il faut utiliser un rayonnement de fréquence et de longueur d onde uniques et bien précises. c. La concentration de l énergie : le laser permet de transférer rapidement une grande quantité d énergie sur une surface de faibles dimensions. d. La directivité : il ne faut pas que les rayons lumineux divergent si on veut qu ils atteignent la cible (de faibles dimensions et éloignée), puis le détecteur après réflexion. e. La cohérence : une figure d interférences stable s obtient avec des ondes émises par des sources cohérentes.

2 Thème2 : Comprendre. Lois et modèles. Energie, matière et rayonnement P : 2 N 23 p : 393 : La télémétrie laser et la Lune Compétences : Extraire des informations; raisonner. La télémétrie laser est une technique de mesure de distances séparant un observateur terrestre de réflecteurs placés à bord de satellites ou sur la Lune. Des réflecteurs ont été déposés sur la Lune lors des missions Apollo et Luna entre 1969 et Une station de télémétrie comprend : un laser de forte puissance qui envoie un faisceau vers le réflecteur; un télescope chargé de recueillir la lumière réfléchie; un système de chronométrage mesurant la durée d'un aller-retour de la lumière. Un laser émet dans le vert à une longueur d'onde de 532 nm. Ce laser envoie 10 impulsions par seconde, possédant chacune une énergie de 200 mj. Le faisceau laser a un diamètre initial de 2,0 m, la tache de ce faisceau à la surface de la Lune a un diamètre de 10 à 14 km. Un réflecteur lunaire, de surface de l'ordre du mètre carré, ne recueille donc qu'une infime partie de l'énergie émise par le laser. Après réflexion, une partie encore plus infime est collectée par le télescope au sol. Pour améliorer la valeur des résultats, il faut pouvoir collecter un grand nombre de photons. Pour cela, il faut disposer au sol de télescopes possédant un grand miroir. La distance Terre-Lune, d'environ km, est aujourd'hui mesurée avec une incertitude de l'ordre du millimètre. D'après le site de l'observatoire de la Côte d'azur. 1. Calculer l'énergie d'un photon émis par le laser. En déduire le nombre de photons par impulsion. 2. Pour 6000 impulsions émises, on considère que moins de 100 photons sont collectés sur Terre. Comparer l'énergie émise par le laser et celle reçue par le télescope. 3. Quelle doit être la plus petite durée mesurable pour obtenir une mesure de la distance Terre-Lune au millimètre près. Données : h = 6,63 x J.s ; c = m.s -1 ; 1 ev = 1,60 x J. 1. L énergie d un photon a pour expression : : E = h c = 6,63 x x = 3,74 x10 19 J λ 739 x 10-9 Une impulsion laser de 200 mj contient donc : 200 x 10-3 = 5,35 X photons. 3,74 x Soit Ee l énergie émise par impulsions laser et Er l énergie reçue. Ee = 6000 x 200 x 10-3 = 3,21 x Er 100 x 3,74 x L énergie émise est de l ordre de 1019 fois plus importante que l énergie reçue! 3. On calcule la durée t mise par la lumière pour parcourir 1 mm, à vitesse constante de valeur c : t = d = 1 x 10-3 = 3 x s. La précision du chronométrage doit être de l ordre de10 12 s, c est-à-dire de l ordre d une c picoseconde. N 24 p : 394 : The Leptons' family... Compétences : Mobiliser ses connaissances; extraire des informations; calculer. Electrons and muons are elementary particles from the family of leptons (particles that can establish weak interactions but no strong interactions). They are both negatively charged, but muons are approximately 200 times as heavy as electrons and split spontaneously with an average lifetime of 2,2 µs. Considering that h = 6.63 x J.s and m e = 9.11 x10-31 kg : 1. Say what the wave-particle duality is. 2. Write the corresponding literai equation. 3. What is the quotient of the wavelengths associated with an electron and a muon moving with the same speed? N 25 p : 394 : À chacun son rythme Compétences : Raisonner; extraire des informations. Cet exercice est proposé à deux niveaux de difficulté. Dans un premier temps, essayer de résoudre l'exercice au niveau 2. En cas de difficultés, passer au niveau 1. L'uranium 238 est un émetteur a : par désintégration radioactive, il se transforme en thorium 234 en émettant un noyau d'hélium 4 (particule α). Le cobalt 60 est un émetteur β - : par désintégration radioactive, il se transforme en nickel 60 en émettant un antineutrino et un électron (particule β -, environ fois moins lourd qu'une particule α. La longueur d'onde de l'onde de matière associée à cette particule α vaut 1,04 x m et celle associée à cette particule β - vaut 2,43 x m. Donnée : m e = 9,1 x kg. Niveau 2 (énoncé compact) Comparer les énergies cinétiques de ces particules. Niveau 1 (énoncé détaillé) 1. Exprimer la relation entre la longueur d'onde de l'onde de matière associée à une particule matérielle et la valeur de sa quantité de mouvement. 2. Calculer les valeurs des vitesses des particules α et β -. 3.a. Exprimer l'énergie cinétique d'une particule en fonction de sa masse et de la valeur de sa vitesse. b. Calculer puis comparer les énergies cinétiques de ces particules. Traduction du texte et des questions : «Les électrons et les muons sont des particules élémentaires de la famille des leptons (particules capables d établir des interactions faibles, mais pas des interactions fortes). Ils sont tous deux chargés négativement, mais les muons sont environ 200 fois plus lourds que les électrons et se désintègrent spontanément avec une durée de vie moyenne de 2,2 µs. On donne h = 6,63 x J s et m e = 9,11 x kg. 1. Rappeler ce qu est la dualité onde-particule. 2. Par quelle relation littérale peut-elle être formulée? 3. Quel est le rapport des longueurs d onde des ondes de matière associées à un électron et à un muon se déplaçant avec la même valeur de vitesse?» 1. Selon le principe de la dualité onde-particule, on peut associer une onde de longueur d onde l à toute particule, matérielle ou non, possédant une quantité de mouvement de valeur p. 2. Ceci se traduit par la relation de de Broglie p = h / λ avec h la constante de Planck. 3. On utilise les indices e et µ respectivement pour l électron et le muon, particules supposées non relativistes. p e = m e. v e = m e puisque v e = v µ. D autre part, p e = h = λ µ = λ µ. En identifiant : λ µ = m e 1 p µ m µ. v µ m µ p µ λ e h m µ λ e m µ 200 et donc λ e = 200. λ µ N 25 p : 394 Ch. 15 : À chacun son rythme Compétences : Raisonner; extraire des informations. Cet exercice est proposé à deux niveaux de difficulté. Dans un premier temps, essayer de résoudre l'exercice au niveau 2. En cas de difficultés, passer au niveau 1.

3 Thème2 : Comprendre. Lois et modèles. Energie, matière et rayonnement P : 3 L'uranium 238 est un émetteur a : par désintégration radioactive, il se transforme en thorium 234 en émettant un noyau d'hélium 4 (particule α). Le cobalt 60 est un émetteur β - : par désintégration radioactive, il se transforme en nickel 60 en émettant un antineutrino et un électron (particule β -, environ fois moins lourd qu'une particule α. La longueur d'onde de l'onde de matière associée à cette particule α vaut 1,04 x m et celle associée à cette particule β - vaut 2,43 x m. Donnée : m e = 9,1 x kg. Niveau 2 (énoncé compact) Comparer les énergies cinétiques de ces particules. Niveau 1 (énoncé détaillé) 1. Exprimer la relation entre la longueur d'onde de l'onde de matière associée à une particule matérielle et la valeur de sa quantité de mouvement. 2. Calculer les valeurs des vitesses des particules α et β -. 3.a. Exprimer l'énergie cinétique d'une particule en fonction de sa masse et de la valeur de sa vitesse. b. Calculer puis comparer les énergies cinétiques de ces particules. 1. De la relation de de Broglie, on obtient λ = h / p. 2. Pour des particules non relativistes, λ = h soit v = h m.v m.λ v(β - ) = 6,63 x = 3,0 x 10 7 m.s 1. v(α) = 6,63 x = 9,6 x 10 6 m.s 1. 9,1 x x 2,43 x x 9,1 x x 1,04 x a. Par définition, Ec = ½ mv² b. Ec(β - ) = 0,5 x 9,1 x x (3,00 x 10 7 ) ² = 4,1 x J ; Ec(α) = 0,5 x 7300 x 9,1 x x (9, ) 2 = 3,1 x J. On en conclut que l énergie cinétique de la particule α est plus grande que celle de la particule β - ; on dit qu elle transporte plus d énergie. N 26 p : 394 Ch. 15 : Les alcools en spectroscopie Compétences : Faire un schéma; exploiter un graphique; calculer. Le groupe hydroxyle est caractéristique des alcools. Ce groupe peut être mis en évidence par des tests chimiques, mais aussi par spectroscopie. 1. Lorsqu'un alcool absorbe un photon de longueur d'onde convenable, il peut y avoir une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. a. Définir le groupe hydroxyle. b. Représenter le schéma illustrant cette transition énergétique. c. À quel domaine spectral correspond une telle transition? d. Confirmer cette prévision en calculant la longueur d'onde du photon associé à cette transition sachant que, dans le cas du méthanol, les deux niveaux d'énergie sont séparés de 7,02 ev. 2. Il est aisé de repérer la présence d'un groupe hydroxyle sur un spectre infrarouge d'alcool pur. Un signal large et intense est observé pour un nombre d'onde compris entre cm -1 et cm -1. Les alcools présentent aussi un signal intense, mais plus fin, repérable entre cm -1 et cm -1 et caractéristique de la liaison carbone-oxygène. a. Quelles sont, pour le méthanol, les longueurs d'onde dans le vide des photons correspondant aux deux transitions décrites? b. Quelle est la nature des transitions énergétiques correspondant à ces signaux? c. Comparer les énergies mises en jeu dans ces deux transitions. Données : h = 6,63 x J.s ; c = 3,00 x 10 8 m -s -1 ; 1 ev = 1,60 x J. Rappel : le nombre d'ondes σ est l'inverse de la longueur d'onde λ. 1. a. Le groupe hydroxyle est le groupe O-H. b. Lors d une absorption, il y a gain d énergie pour la molécule (représentée symboliquement par une sphère) : c. Une transition d énergie électronique est associée à une radiation UV ou visible. d. La longueur d onde associée au photon absorbé vérifie la relation E = h c λ λ = h.c = 6,63 x x 3,00 x 10 8 = 1,77 x10 7 m. E 7,02 x 1,60 x Cette longueur d onde de 177 nm appartient effectivement au domaine des ultraviolets (λ < 400 nm). 2. a. Pour la liaison O-H, on lit σ = cm 1, ce qui correspond à λ = 2,89 x 10 4 cm = 2,89 µm. Pour la liaison C-O, on lit s = cm 1, ce qui correspond à λ = 9,71 x 10 4 cm = 9,71 µm. b. Lorsqu un photon infrarouge est absorbé par une molécule, il y a transition entre niveaux d énergie vibratoire. c. D après la relation E = h.ν = h c, l écart énergétique est inversement proportionnel à λ. λ Il est donc plus important dans le cas de la liaison O-H que dans celui de la liaison C-O. plus

4 Thème2 : Comprendre. Lois et modèles. Energie, matière et rayonnement P : 4 POUR ALLER PLUS LOIN. N 27 p : Ch. 15 : Valse laser à trois ou quatre temps. Compétences : Mobiliser ses connaissances; extraire des informations; faire un schéma. Le fonctionnement d'un laser à trois niveaux peut être illustré par le diagramme énergétique ci-contre où la transition du niveau E 3 au niveau E 2 est spontanée et rapide. 1. Repérer les états fondamental et excités de cette population d'atomes. 2.a. À quelles transitions sont associées l'étape de pompage optique pour l'inversion de population et l'étape d'émission stimulée? b. Recopier le schéma et représenter ces transitions par des flèches. 3. L'inconvénient de ce type de laser est l'entretien permanent de l'inversion de population : un grand nombre d'atomes doit être excité afin que le niveau (2) reste plus peuplé que le niveau (1). Il peut y avoir surchauffe lors du fonctionnement continu d'un tel laser. Dans un laser à quatre niveaux, l'émission stimulée ramène les atomes dans un état intermédiaire (1'), initialement non peuplé. Puis spontanément et rapidement a lieu une transition (1') (1) si bien que ce niveau (1') reste quasiment toujours non peuplé. Ainsi, toute population de l'état (2) correspondra à une inversion de population de l'état (1') sans que l'on soit en permanence obligé de dépeupler le niveau (1). Représenter le diagramme énergétique correspondant à ce type de laser. 4. Symboliser par des flèches la transition laser et la transition permettant de maintenir l'inversion de population autrement que par pompage optique. 5. Quel avantage offre ce fonctionnement à quatre niveaux par rapport au fonctionnement à trois niveaux? 1. L état fondamental (de plus basse énergie) est l état (1), les états excités sont les états (2) et (3). 2. a. Le pompage optique permet de réaliser la transition (1) (3) ; l émission stimulée correspond à la transition (2) (1). b. On représente la transition (1) (3) en bleu et la transition (2) (1) en rouge : 3. et 4. Le niveau (1 ) est intermédiaire des niveaux (1) et (2). Il est peu peuplé. La transition laser, (2) (1 ), est représentée à nouveau en rouge. Celle maintenant l inversion de population autrement que par pompage, (1 ) (1), est représentée en vert. 3. et 4. Le niveau (1 ) est intermédiaire des niveaux (1) et (2). Il est peu peuplé. La transition laser, (2) (1 ), est représentée à nouveau en rouge. Celle maintenant l inversion de population autrement que par pompage, (1 ) (1), est représentée en vert. UN PAS VERS L ENSEIGNEMENT SUPERIEUR. N 28 p : 395. Ch. 15 Effet photoélectrique. Compétences : Extraire des informations; mobiliser ses connaissances; calculer. En 1887, le physicien allemand H. HERTZ met au point un oscillateur hautes fréquences. Grâce à des étincelles produites entre deux petites sphères en laiton très proches, le dispositif émet des ondes électromagnétiques. H. Hertz réceptionne à quelques mètres de là ces ondes à l'aide d'un fil conducteur en forme de boucle ou de rectangle ouvert avec également deux boules en laiton à chacune de ses extrémités. Il observe des étincelles de faible intensité lumineuse entre les boules de laiton du récepteur. Cette expérience couronne la théorie de l'écossais J. C. MAXWELL établie en 1865 sur le comportement ondulatoire des ondes électromagnétiques. Afin de mieux voir les étincelles au niveau du récepteur, H. HERTZ place le récepteur dans l'obscurité. Il constate alors que l'intensité lumineuse des étincelles est encore plus faible. Il en déduit que la lumière émise par les étincelles de l'émetteur, plus précisément les rayonnements ultraviolets, a un impact sur les étincelles du récepteur. H. HERTZ vient de mettre en évidence l'effet photoélectrique. Dans les années qui suivent l'expérience de H. HERTZ, différents travaux consistent à éclairer un métal par un rayonnement ultraviolet. On obtient les résultats suivants : les rayonnements ultraviolets arrachent des particules négatives que l'on appellera des électrons; le nombre d'électrons arrachés est proportionnel à l'intensité lumineuse du rayonnement; l'énergie cinétique des électrons arrachés est indépendante de l'intensité lumineuse du rayonnement; leur énergie cinétique augmente lorsque la fréquence de la lumière incidente augmente. En 1905, pour expliquer l'effet photoélectrique, A. EINSTEIN propose un aspect particulaire pour la lumière. Chaque particule possède une énergie = h v. Cette particule sera appelée photon quelques années plus tard. A. EINSTEIN explique que l'énergie du photon sert en partie à arracher l'électron de l'atome, le reste étant emporté par l'électron sous forme d'énergie cinétique. Ce résultat sera démontré expérimentalement par le physicien américain R MILLIKAN ( ) onze ans plus tard et la communauté scientifique mettra quelques années de plus à accepter la notion d'aspect particulaire de la lumière. En 1921, A. EINSTEIN obtiendra le prix Nobel de physique pour cette découverte. 1. En quoi la formule E = h.ν illustre les aspects ondulatoire et particulaire de la lumière? 2. Traduire, par une formule mathématique, la phrase écrite en italique. On appellera E 1, l'énergie nécessaire pour arracher un électron. Pour un métal donné, cette énergie est constante. 3. Pourquoi l'énergie cinétique d'un électron augmente-t-elle lorsque la fréquence de la lumière incidente augmente? 4. L'énergie E 1 permettant d'arracher un électron d'un atome de cuivre vaut E 1 (Cu) = 4,70 ev. Quelle est la longueur d'onde de la radiation permettant d'arracher un électron d'un atome de cuivre avec une valeur de vitesse nulle? Mettre en relation ce résultat et les observations expérimentales décrites dans le texte. 5. On observe que l'effet photoélectrique ne se produit pas pour des radiations incidentes situées dans le visible et dans les infrarouges quelles que soient l'intensité du rayonnement et la durée d'exposition. Pourquoi ce résultat met-il en défaut la théorie ondulatoire?

5 Thème2 : Comprendre. Lois et modèles. Energie, matière et rayonnement P : 5 BAC N 29 p : 396. Ch. 15 Le laser brûleur devient ref roidisseur Compétences : Extraire des informations; raisonner; calculer. Le texte ci-dessous est extrait d'une revue scientifique. N'en déplaise aux «mordus» de la guerre des étoiles, le laser n'est pas seulement une arme redoutable qui brûle tout sur son passage : il peut aussi jouer le rôle de simple refroidisseur d'atomes. L'immense énergie développée par un faisceau laser va empêcher les atomes de vibrer à leur rythme propre... Un second faisceau laser, qui fait face au premier, vient figer définitivement les atomes, pris entre les deux bras de lumière, comme s'ils étaient bloqués entre deux murs. Ce dispositif de faisceaux lasers croisés est monté dans les trois directions spatiales : le groupe d'atomes cible se trouve donc à l'intersection de six faisceaux lasers. Les voilà coincés dans toutes les directions : ils ne peuvent plus ni s'échapper ni vibrer! Ils deviennent lents, c'est-à-dire froids : les scientifiques appellent cette boule d'atomes refroidis une «mélasse optique». La description est cependant quelque peu réductionniste au regard de ce qui se passe «réellement» à l'échelle atomique, car, entre le faisceau laser et l'atome, un incessant échange d'énergie s'instaure. L'atome absorbe un photon du laser, ce qui le freine. Après un laps de temps infime, il émet à son tour un autre photon, ce qui le fait «reculer», à l'image d'une arme à feu qui vient de tirer son projectile. C'est ce qu'on appelle l'effet de recul. Pour qu'il puisse être absorbé, le photon doit être «au goût» de l'atome, car tous les photons n'ont pas la même «saveur» : certains sont rouges, d'autres bleus, jaunes, etc. Leur couleur dépend de leur énergie. Plus le photon est énergétique, plus sa couleur tendra vers l'ultra-violet. Ainsi, pour un type d'atomes (par exemple le césium ou l'hélium), il faudra utiliser un laser d'une couleur bien déterminée pour que les photons puissent être absorbés. Piégée entre six rayons lasers, la mélasse optique voit sa température tomber à un millième de degré au dessus du zéro absolu (qui se situe à -273 C). Les atomes n'en continuent pas moins de vibrer quelque peu! En 1988, une équipe de l'ens, notamment composée de Clatide COHEN-TANNOUDR et d'alain ASPECT, triompha du défi en faisant passer la température d'une mélasse optique dans le domaine des millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Et, en juin 1995, l'équipe d'éric CORNELL et Car1WIEMAN franchit un nouveau pas : elle atteint 20 milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Or, à cette température, les atomes ont tendance à abandonner leurs oripeaux de matière pour devenir des ondes comme la lumière. 1. Expliquer la phrase «plus le photon est énergétique, plus sa couleur tend vers l'ultraviolet». 2. Soient E 1, E 2 etc. les niveaux d'énergie de l'atome «à refroidir». a. Quelle relation doit vérifier la longueur d'onde λ d'un photon pour qu'il soit «au goût» de l'atome et donc absorbé? b.quelle propriété du laser est mise en avant dans la phrase : «il faudra utiliser un laser d'une couleur bien déterminée»? c. Quelle propriété du laser est nécessaire pour piéger les atomes au milieu des six faisceaux lasers? 3. À une température proche du zéro absolu, l'aspect ondulatoire de l'atome prédomine sur son aspect particulaire. La lumière possède aussi ces 2 aspects. Comment, expérimentalement, mettre en évidence chacun de ces deux aspects? 4. Quelques niveaux d'énergie de l'atome de sodium sont représentés sur le diagramme ci-contre. Un jet d'atomes de sodium, dans l'état fondamental se déplaçant à la vitesse de valeur v = 3,0 x 10 3 m s -1 est stoppé par un faisceau laser à la suite de plusieurs chocs successifs. a. Les photons jaunes émis par le laser utilisé ont pour longueur d'onde λ = 589 nm et percutent les atomes de sodium. Pourquoi peut-on dire que ces photons sont «au goût» de l'atome? Quelle est l'énergie d'un atome de sodium juste après l'absorption d'un photon? b. La valeur de la vitesse de l'atome est alors diminuée de h / λ.m où m représente la masse de l'atome de sodium. Vérifier par une analyse dimensionnelle que cette expression a la dimension d'une vitesse (voir fiche n 5, p. 588). c. Calculer le nombre de chocs identiques que doit subir l'atome pour s'arrêter. d. Pourquoi ne peut-on pas utiliser un laser bleu (laser émettant une lumière de longueur d'onde 488 nm) pour stopper le jet d'atomes de sodium? Données : h = 6,63 x J.s ; c = 3,00 x 10 8 m.s -1 ; 1 ev = 1,60 x J; masse d'un atome de sodium : m = 3,82 x kg. RETOUR SUR L OUVERTURE DU CHAPITRE. N 30 p : 397. Ch. 15 Un scalpel hors normes Compétences : Extraire et exploiter les informations; raisonner. L'utilisation de laser pour corriger la myopie La correction de la myopie par chirurgie laser consiste à raboter la cornée. Le chirurgien découpe dans un premier temps une fine épaisseur de la cornée à l'aide d'un laser à impulsion femtoseconde. Il utilise ensuite un autre laser pour remodeler la surface interne de la cornée. Il replace enfin la fine épaisseur de cornée découpée en début d'intervention. Un laser à impulsion, émet toutes les 500 femtosecondes de brèves impulsions de lumière. Chaque impulsion a une grande puissance et une faible énergie. Cela permet de sublimer la matière de façon très locale en créant des bulles de gaz sans altérer les tissus limitrophes. En répétant cette opération, le laser crée dans la cornée des milliers de microbulles de 2 à 3 pm de diamètre, ce qui permet de la découper. Un laser à impulsion émet une lumière dont la longueur d'onde dans le vide est égale à 1,060 pm. Il délivre une énergie de 1,0 µj lors de chaque impulsion. D'autres applications en médecine Les lasers ont de nombreuses autres applications en médecine. Comme pour le traitement de la myopie, elles sont liées à la conversion d'énergie lumineuse en énergie thermique lorsque la lumière entre en contact avec les tissus. Suivant la nature de l'intervention à réaliser, le médecin choisit la longueur d'onde de la radiation utilisée, la puissance du rayonnement, le temps d'exposition et la nature de l'émission (en continu ou par intermittence). Ces réglages permettent de porter les tissus traités à une température pour laquelle il y aura coagulation des vaisseaux ou volatilisation des tissus. 1. Quelles propriétés du laser sont utilisées en chirurgie? 2. Dans quel domaine des ondes électromagnétiques le laser à impulsion décrit dans le texte émet-il? 3. Justifier la phrase du texte écrite en italique. 4. a. Donner l'expression de l'énergie d'un photon. Préciser la signification des termes de cette expression. b. En déduire le nombre de photons émis par le laser lors d'une impulsion. Données :1 femtoseconde (fs) = s ; h = 6,63 x J.s ; c = 3,00 x 10 8 m. s -1.

6 Thème2 : Comprendre. Lois et modèles. Energie, matière et rayonnement P : 6 BAC. REUSSIR L EPREUVE DE PHYSIQUE CHIMIE. Comprendre un énoncé. N 31 p : 398. Ch. 15. Le microscope électronique Le premier microscope électronique est construit en 1931 par deux ingénieurs allemands E. RUSKA et M. KNOLL. Cet appareil utilise les propriétés ondulatoires d'un faisceau d'électrons pour éclairer l'objet à observer. On focalise le faisceau d'électrons à l'aide d'un champ magnétique créé par des bobines électriques traversées par un courant. Ces bobines se comportent comme des lentilles. L'intérêt d'un instrument d'optique comme le microscope est d'observer l'infiniment petit. Les performances d'un instrument sont notamment limitées par son pouvoir de résolution lié au phénomène de diffraction de la lumière. Le pouvoir de résolution représente la distance minimale séparant deux points distincts à partir de laquelle on peut les discerner. Le pouvoir de résolution d'un microscope est voisin de la longueur d'onde de la radiation qui éclaire l'objet observé. Avec une radiation de longueur d'onde = 500 nm, on ne peut pas distinguer des détails séparés d'une distance inférieure à 5,0 x 10-7 m. Les électrons utilisés dans un microscope électronique ont des longueurs d'onde très inférieures à celles de la lumière visible. Le pouvoir de résolution d'un tel instrument en est donc meilleur. Données : h = 6,63 x J.s ; m e = 9,11 x kg. Questions à se poser à la lecture de l'énoncé. Quelles sont les caractéristiques d'un électron mises en jeu dans un microscope électronique? Qu'est-ce que la diffraction? Pourquoi les microscopes optiques doivent-ils être remplacés par des microscopes électroniques? À quel domaine appartiennent ces radiations? Quel est le rapport entre le pouvoir de résolution et le choix des électrons? Questions : * Compétence transversale. 1. À quel aspect physique de la lumière associe-t-on le phénomène de diffraction? Mobiliser ses connaissances*. 2. Quelles radiations électromagnétiques pourrait-on utiliser afin d'améliorer le pouvoir de résolution d'un microscope optique? Extraire les informations*. Argumenter.* 3. a. Quelle est l'expression de la longueur d'onde associée à une particule de quantité de mouvement de valeur p? Connaître l'expression de la quantité de mouvement : - associée à la dualité onde-particule; - associée au mouvement d'une particule. b. Quelle est l'expression littérale de la valeur de la quantité de mouvement de l'électron lorsque la valeur de sa vitesse est très inférieure à celle de la lumière? Calculer*. Argumenter*. c. Justifier quantitativement la phrase du texte écrite en gras pour des électrons animés d'une vitesse de valeur v = 1,0 x 10 7 m.s Comparer la longueur d'onde associée à ces électrons et l'ordre de grandeur de la dimension d'un atome. Ce résultat est-il en accord avec la photographie? Connaître les ordres de grandeur des dimensions des structures organisées. Extraire et exploiter des informations*.

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