Transferts quantiques d énergie et dualité onde-particule

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1 1. Onde électromagnétique et photon Au début du XXème siècle, la nature ondulatoire de la lumière est presque unanimement admise Insuffisance du modèle ondulatoire Expérience de Hertz (physicien allemand ( )) réalisée en 1887 :mise en évidence de l effet photoélectrique : On charge l électroscope négativement. Il se retrouve alors avec un excès d électrons. (voir a : état initial) La plaque de zinc qu il porte est ensuite exposée aux radiations ultraviolettes émises par une lampe à vapeurs de mercure. (voir b : effet photoélectrique) Figure a Figure b Observations : On peut constater que l écart entre la partie mobile et la partie fixe décroît progressivement. Interprétation : Les radiations UV provoquent l arrachement d électrons de la plaque métallique (qui est chargée négativement). Globalement, l électroscope se décharge et la répulsion entre la partie fixe et la partie mobile diminue Mais l existence pour chaque métal d une fréquence seuil au-dessous de laquelle aucun électron n est émis, ne s explique pas avec le modèle ondulatoire de la lumière. Conclusion : Les ondes mécaniques progressives peuvent donner lieu à des phénomènes de diffraction et d interférences, donc l observation de phénomènes similaires pour la lumière conduit à penser, par analogie, qu elle se comporte comme une onde dans certaines conditions. Mais le fait que certains phénomènes, comme l interaction lumière-matière, ne puissent s expliquer par un modèle ondulatoire, rend nécessaire l existence d un modèle corpusculaire (ou particulaire) pour la lumière Le modèle particulaire : Le photon En 1905, Albert Einstein donne une interprétation satisfaisante de l effet photoélectrique : il postule l existence des quanta d énergie, sorte de grains d énergie lumineuse qui seront ultérieurement appelés photons. Définition.. Il a une charge électrique et une masse nulles et se déplace dans le vide avec une vitesse c = 3,00 x 10 8 m.s -1. Page 1 sur 6

2 L expression des quanta d énergie E est : h = constante de Planck, h = 6,63 x J.s = fréquence de la radiation en Hertz (Hz) E = énergie en Joule (J) La valeur de la quantité de mouvement du photon est donnée par l expression (appelée relation de Broglie) : : longueur d onde de la radiation (m) c : célérité de la lumière, c = 3,00 x 10 8 m.s -1 p : quantité de mouvement (J.s.m -1 ) 2. Transferts quantiques d énergie La matière peut absorber ou émettre des rayonnements électromagnétiques. Au niveau microscopique et quantique, cela correspond à l absorption ou l émission de photons par les atomes, qui sont le siège de transitions énergétiques. Il existe deux mécanismes de base : L..d un photon se produit lorsque l atome passe d un état initial d énergie E 1 à un état d énergie E 2 supérieure. (fig.1). d un photon accompagne la désexcitation de l atome, dont l énergie de E 2 à E 1. (fig.2) Dans le processus d émission spontanée, le photon produit est émis dans une direction aléatoire. Il existe un second type d émission,. prévue par Einstein dès Lorsqu un atome se trouve au niveau excité E 2, l interaction avec un photon d énergie h = E 2 E 1 provoque sa désexcitation au niveau E 1 et l émission d un photon identique au photon incident, celui-ci n étant pas absorbé. Ces photons se propagent dans la même direction et leurs ondes associées, de même fréquence, sont en phase :. L énergie E = E 2 E 1 du photon et la fréquence de la radiation associée au photon sont reliés par la relation : où h = constante de Planck, h = 6,63 x J.s Page 2 sur 6

3 Ionisation de l atome On note qu'un atome peut absorber les mêmes fréquences lumineuses que celles qu'il peut émettre (même ). Le saut de l'électron ne se fait pas obligatoirement sur le niveau immédiatement Doc.3 3. La lumière laser Le mot «laser» est l acronyme de l'anglais signifiant Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation («Amplification de la lumière par émission stimulée de radiations»). Les lasers couvrent aujourd'hui toute la gamme des rayonnements électromagnétiques, des rayons X et ultraviolets aux ondes infrarouges. C'est actuellement la principale source de lumière monochromatique cohérente. La lumière émise possède des propriétés remarquables : elle est très.. c'est à dire que la raie est très fine avec une longueur d'onde connue avec une très grande précision ; Elle est très. ; le laser constitue une source pratiquement ponctuelle ; elle est ; La lumière laser peut transporter beaucoup d'énergie. La puissance du laser est.., même à grande distance de la source. Certains lasers émettent en continu, d autres peuvent émettre de brèves impulsions, Emission stimulée et amplification d une onde Le laser émet des photons produits par. L émission stimulée permet, à partir d un photon d énergie adaptée, de. L émission stimulée a pour effet. Page 3 sur 6

4 3.2. Inversion de population par pompage optique Pour obtenir un effet d émission stimulée sur un grand nombre d atomes, il faut faire en sorte qu ils soient dans un niveau d énergie excité E 2, et non dans leur niveau fondamental E 1. Cela s appelle effectuer une.. Cette inversion de population est obtenue en fournissant de l énergie aux atomes selon un procédé appelé.. Le laser est constitué d un.. où se produit l émission stimulée. excite le milieu amplificateur. Il se produit une inversion de population. (espace entre deux miroirs) provoque de multiples allers retours de l onde. L un des deux miroirs est semi réfléchissant ce qui permet d obtenir le faisceau laser en sortie. 4. Particule et ondes de matière 4.1. Hypothèse de Louis de Broglie En 1923, alors que les scientifiques ont prouvé que la lumière peut se comporter comme une onde ou comme des particules, Louis de Broglie émet l hypothèse (confirmée en 1927) que l on peut associer une onde à des particules matérielles comme les électrons. Conclusion : L électron, comme le photon sont des objets quantiques. Définition : un objet quantique Relation de Louis de Broglie La relation de Louis de Broglie associe une onde de longueur d onde à une particule matérielle de quantité de mouvement p, telle que : : longueur d onde de la radiation (m) c : célérité de la lumière, c = 3,00 x 10 8 m.s -1 p : quantité de mouvement (J.s.m -1 ) 4.3. Condition d observation du comportement ondulatoire (diffraction interférences) Le comportement des objets microscopiques est significatif lorsque.... Page 4 sur 6

5 5. Domaines spectrales et transitions quantiques L interaction de la lumière avec la matière est à l origine de nombreux phénomènes électriques, magnétiques, optiques et chimiques observables dans notre environnement proche. Au niveau de l., l interaction électrique entre les électrons et le noyau est à l origine des... Il existe d autres interactions au sein de la matière, toutes associées à des transitions énergétiques : Au sein du., c est. qui prévaut, Au sein, c est. qui agit. L interaction lumière-matière se produit donc dans des domaines énergétiques variés, donc à des fréquences variées : Exemple : Lors d une transition d énergie vibratoire, la molécule passe d une configuration vibratoire à une autre. Ces transitions d énergie sont moins énergétiques que les transitions électroniques. Lors d une transition d énergie vibratoire, il y émission ou absorption dans l infrarouge. 6. Aspect probabiliste des phénomènes quantiques Les phénomènes quantiques sont les phénomènes où interviennent des objets microscopiques de la matière (électrons, protons ) et qui ne s expliquent pas par les lois classiques de la physique. Activité 2 p 377 Dans une expérience d interférence, on ne peut pas prévoir la position de l impact d un photon sur l écran. Mais lorsque leur nombre est important, ils respectent une loi de probabilité et forment le motif caractéristique des franges d interférence. Les franges s interprètent comme une alternance de zones où un photon a une probabilité de présence minimale ou maximale. Conclusion :.... Page 5 sur 6

6 donnée : 1eV = 1,60 x J Page 6 sur 6

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