ctivité documentaire 1 : Le laser, outil d investigation 1. nalyser les documents a. Les deux caractéristiques du faisceau lumineux émis par le laser sont sa grande directivité (surface de 0,5 mm à 7 m de diamètre) et sa grande puissance (6 MW). b. Un laser pulsé est un laser qui n émet pas en continu. Il émet des impulsions très courtes à intervalles de temps réguliers. c. Dans le meilleur des cas, il faut 50 impulsions pour réaliser une analyse spectrale. vec une durée de 55 ns et une puissance de 6MW, l énergie nécessaire est : = 50 55 10-9 6,0 10 6 = 16,5 J Cette énergie est relativement faible pour vaporiser une roce. Rappelons qu il faut un peu plus de 4 J pour élever d un seul degré la température d un gramme d eau. d. Le laser pulsé permet d avoir des impulsions de très grande puissance. pporter la même énergie pendant un temps plus long avec un laser à émission continue ne produit pas le même effet sur la roce car l énergie termique va se propager par conduction sur un volume beaucoup plus grand, produisant une élévation de température plus faible. e. P e = 6,010 6 0,2510 3 2 = 3,1 10 13 Wm -2. C est 30 milliards de fois plus grand que la puissance surfacique du rayonnement solaire à midi en été. On comprend pourquoi la roce est pulvérisée. 2. Faire une recerce a. ctuellement, on sait réaliser des lasers pulsés dont les impulsions ne durent que quelques femtosecondes (femto = 10-15 ). Ces lasers ont de nombreuses applications. Ils peuvent servir de flas pour potograpier des pénomènes extrêmement rapides, tels que des réactions cimiques par exemple, et mieux comprendre le mécanisme de ces réactions. b. On trouve également des lasers pulsés dans l industrie. Ils sont utilisés pour percer ou découper du métal avec une très grande précision (exercice 6 page 393). La très faible durée des impulsions permet de vaporiser le métal, sans perte d énergie par conduction et donc sans abimer les bords de la découpe. Ces lasers à impulsions sont également utilisés en cirurgie et en particulier en cirurgie des yeux (découpe de la cornée). L excès d énergie est communiqué à l électron sous forme d énergie cinétique. ctivité documentaire 2 : La dualité onde-particule 1. nalyser les documents a. La source émet les potons un par un. b. Le poton se montre sous son aspect particulaire lorsqu il arrive sur le détecteur, caque impact se traduisant par un point. Le poton se montre sous son aspect ondulatoire lorsque le motif des franges d interférence apparaît. 2. Exploiter les informations a. Les potons étant émis un par un, deux potons ne peuvent pas interférer. La formation des franges d interférence ne s explique pas par une interaction entre deux potons. b. Une frange brillante correspond à une probabilité de présence maximale des potons, alors que les franges sombres correspondent à une probabilité de présence minimale.
c. À la date t = 10 s, la position des impacts semble aléatoire car le nombre de potons reçus n est pas suffisant. Le nombre de potons doit être important pour que la loi de probabilité se manifeste et que le motif caractéristique des interférences apparaisse. 3. Conclure On ne peut pas dissocier l aspect ondulatoire et l aspect particulaire d un poton : le poton est un objet quantique qui manifeste l un ou l autre de ses aspects selon les conditions d observation. Il ne peut être décrit que par la mécanique quantique qui lui associe une fonction d onde permettant de calculer sa probabilité de présence en un endroit donné. Correction TD n 10 p 393 La puissance d un système est définie comme la variation d énergie du système par unité de temps P = E Un laser de 2mW rayonne caque seconde une énergie : = 2mJ (ΔE = = P x Δt) Calculons l énergie transportée par un poton. 34 8 c 6, 6310 3, 0010 19 % 3, 1510 J 9 63210 Nombre de potons émis caque seconde : 3 % 210 15 n 610 19 % 3, 1510 L'ordre de grandeur du nombre de potons est donc 10 16. t n 12 p393 a. La fenêtre de télécommunication se situe entre 1,3 et 1,6 µm. Il s agit du domaine infrarouge. b. Pour réduire les pertes, il faut coisir un domaine de longueur d onde pour lequel le coefficient d atténuation est le plus faible. D après le scéma, ce domaine est compris entre 1,5 µm et 1,6 µm. c. Grapiquement, le coefficient d atténuation est de l ordre de 4 %. d. Même avec un faible coefficient d atténuation, l amplitude du signal transmis diminue lorsque la distance augmente. Il est donc impossible de transmettre des informations sur de grandes distances. On place donc des amplificateurs pour redonner au signal son amplitude initiale lorsque cette dernière devient trop faible.
n 14 p 394 a. L atome passe du niveau fondamental 1, qui constitue donc l état initial, au niveau excité 2 qui constitue l état final. On a donc : = 2 1 > 0 car 2 > 1 b. L énergie du poton a pour expression poton =. C est une grandeur toujours positive. D autre part, il n y a absorption du poton que si la transition est possible, c est-à-dire si l énergie apportée par le poton correspond au passage du niveau fondamental au niveau excité. On a donc : = 2 1 = c. L énergie du poton est la même. Elle est toujours positive et a comme valeur poton =. d. Pour l émission, l état excité 2 est l état initial et l état fondamental 1 est l état final. On a donc : = 1 2 < 0 car 2 > 1 e. Puisque l énergie du poton est toujours positive, on peut écrire : 1 2 ou encore 2 1 = Cette relation 2 1 = est donc vraie à l émission comme à l absorption d un poton. n 14 p 410
n 21 p410 a. Le «comportement ondulatoire» d une particule de matière est mis en évidence par des expériences caractéristiques des ondes : la diffraction ou les interférences. b. La masse d une molécule est calculée à partir de sa masse molaire et de la constante d vogadro N : Des relations m = M( C60) = 60 M ( C ) N N et p = mv, on en déduit la vitesse v des molécules : p v = m = N M 6,63 10 34 = 3 12 60 12 10 6,02 10 2,510 23 = 222 ms -1 n 22 p 410 a. Deux fentes fines et parallèles sont éclairées par une source de lumière ; les deux fentes jouent le rôle de deux sources coérentes. Le pénomène d interférence apparaît dans la zone de recouvrement des deux faisceaux et des franges d interférence apparaissent sur un écran placé dans cette zone. b. Dans cette expérience, la source de lumière est particulière puisqu elle émet des potons un par un à intervalles réguliers. Les potons se comportent comme des particules localisées spatialement lorsqu ils arrivent sur l écran. Ils montrent un comportement ondulatoire en formant peu à peu la figure d interférence. Dans cette expérience d interférence, on ne peut pas prévoir la position de l impact d un poton 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 le poton a une probabilité de présence minimale ou maximale. c. Il n est pas possible de déterminer par quelle fente passe un poton ; toute tentative détruit la figure d interférence ; la source fournissant des potons un par un, caque poton semble être passé simultanément par les deux fentes ce qui n est pas envisageable pour une particule indivisible. n 23 p410
- K n est pas éclairée : l intensité I = 0 ; entre et K, il n y a pas de contact électrique. - K est éclairée : l intensité n est pas nulle lorsque la longueur d onde est inférieure à une certaine valeur. L interprétation se fait avec le modèle particulaire de la lumière : les potons apportent de l énergie pour extraire les électrons de la catode, leur énergie doit être supérieure ou égale à une valeur caractéristique du matériau de la catode. L énergie d un poton est : % = υ = c % % 0 soit : c c 0 donc : λ λ 0 - K est éclairée, l intensité I augmente. Lorsque l on augmente l intensité lumineuse, le nombre de potons reçus par la catode augmente, le nombre d électrons émis augmente et l intensité électrique I augmente. b. À l aide de l animation, la longueur d onde maximale donnant naissance à l effet potoélectrique est d environ 580 nm.