I) aspect ondulatoire et particulaire de la lumière

|COMPRENDRE: |Chapitre 15 : dualité onde particule |
|Lois et modèles | |
Animation
1. effet photoélectrique (M. Gastebois)
2. effet photoélectrique (animation flash simple)
3. diffraction des ondes mécaniques et lumineuse (M. Gastebois)
4. interférences (Mr Gastebois)
5. interférence entre faisceau de photons, probabilité d'impact maximum et
minimum.
6. le laser, principe de fonctionnement
7. animation wikipédia sur les différentes vibrations du groupe CH2. Table des matières I) aspect ondulatoire et particulaire de la lumière
1) la lumière, onde ou particule?
2) relation de Louis De Broglie
3) aspect probabiliste des phénomènes quantiques II) le laser
1) principe de fonctionnement
2) les principales propriétés du laser III) Énergie d'édifices microscopiques
1) niveau d'énergie électronique d'un atome
2) niveaux d'énergie au sein d'une molécule
Application Programme officiel
I) aspect ondulatoire et particulaire de la lumière
1) la lumière, onde ou particule? Cliquer sur l'animation diffraction des ondes mécaniques et lumineuse (M.
Gastebois) puis sur l'animation interférences (Mr Gastebois). Pourquoi peut-
on affirmer que la lumière est une onde?
[pic] [pic]
- la lumière, une onde: les phénomènes de diffraction et
d'interférences nous permettent d'affirmer que la lumière est une onde. Dans le 'Traité de la lumière', Christian Huygens (1643- 1695) interprète
la lumière comme la propagation d'une onde. Maxwell (1831-1879) élabore la
théorie de la propagation des ondes électromagnétiques (OEM). La lumière
devint alors un cas particulier d'OEM de longueurs d'onde comprises entre
380 et 780 nm.
L'énergie E d'une OEM est égale au produit de la constante de Planck 'h'
par la fréquence [pic]de l'OEM:
[pic]
Unité: E(J), h = 6,63x10-34 J.s, [pic](Hz)
Exemple: calculer l'énergie des rayonnements rouge et bleu, se déplaçant
dans le vide, de longueur d'onde respectives[pic]. La célérité de la
lumière dans le vide est c = 3,00x108 m.s-1.
Réponse:
[pic] Plus la longueur d'onde est grande plus l'énergie est faible. Cliquer sur l'animation suivante effet photoélectrique. Pourquoi peut-on
affirmer que la lumière peut être considérée comme une particule?
[pic]
En 1905 Albert Einstein postule que la lumière est constituée d'un flux de
particules appelées photons. Il explique ainsi l'effet photoélectrique mis
en évidence par Hertz en 1887: la lumière est constituée de particules
appelées photons. 2) relation de Louis De Broglie
En 1924 De Broglie généralise la dualité onde particule admise pour la
lumière à tous objets microscopiques (électrons protons neutrons..). Cette
dualité a été mise en évidence en 1927 par l'observation du phénomène de
diffraction puis, plus tard, d'interférence pour les électrons. De Broglie
introduit la notion d'onde de matière.
Relation de de Broglie: à chaque particule en mouvement on associe une onde
de matière de longueur d'onde [pic]liée à la quantité de mouvement p de la
particule par la relation suivante:
[pic]
Unité: p (kg.m.s-1); h(J.s); [pic]
Remarque: [pic]=h/p, si la masse est important p = m.v est grand donc
[pic]est très faible. Pour observer le phénomène de diffraction il faut que
l'ouverture soit de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde ce qui
devient impossible pour des valeurs de [pic]trop faible. Le caractère
ondulatoire de l'électron ne peut pas être mis en évidence.
Le comportement ondulatoire des objets microscopiques est significatif
lorsque la dimension 'a' de l'obstacle ou de l'ouverture est du même ordre
de grandeur que leur longueur d'onde de matière [pic].
Exemple: Déterminer la longueur d'onde de l'onde de matière associée à un
électron de masse m = 9,11x10-31 kg et de vitesse v = 400 m.s-1. Quelle est
la taille de l'ouverture permettant d'observer la diffraction d'un faisceau
d'électrons possédant ces caractéristiques? Réponse:
[pic] Pour observer la diffraction de ce faisceau d'électron il faut une
ouverture[pic].
3) aspect probabiliste des phénomènes quantiques D'après un article de Wikipédia: la mécanique quantique a pour but
d'étudier et de décrire les phénomènes à l'échelle atomique. Développée au
début du XXe siècle elle à permis d'expliquer des phénomènes comme
le rayonnement du corps noir, l'effet photo-électrique, ou l'existence
des raies spectrales. Parmi ces concepts, on peut citer la dualité onde
corpuscule, l'amplitude de probabilité .
En mécanique quantique les objets microscopiques ou les OEM ont des niveaux
d'énergie quantifiés discontinus alors qu'en mécanique classique
l'énergie est continue.
Cliquer sur l'animation suivante interférence entre faisceau de photons.
La position des impacts des photons est-elle aléatoire? Ou se trouve la
probabilité d'impact la plus élevée? La plus faible?
[pic]
[pic]
La figure d'interférence précédente est obtenue avec un faisceau
d'électrons et deux fentes étroites. Les photos 1, 2, 3,4 sont prises aux
instants t1 < t2 < t3 < t4. La position de l'impact des électrons ne permet
pas de déterminer la trajectoire des électrons. Cependant Ils ont une
probabilité d'impact en un lieu donné. Une zone sombre correspond à une
faible probabilité d'impact, une zone claire à une forte probabilité
d'impact. Les particules du monde microscopique sont soumises à des lois
probabilistes. Seule l'étude d'un grand nombre de particules permet
d'établir un comportement. II) le laser
1) principe de fonctionnement Cliquer sur l'animation suivante le laser, principe de fonctionnement et
cliquer sur la rubrique exemple. Résumer le principe de fonctionnement d'un
laser (light amplification by stimulated emission of radiation).
[pic] Un laser est constitué d'une ampoule dans laquelle on enferme un gaz par
exemple du et de l'hélium. On introduit dans l'ampoule 2 électrodes reliées
à une source de tension électrique. Cette source produit un courant
d'électrons qui entre en collision avec les atomes d'hélium qui passe à un
niveau d'énergie excité. L'atome d'hélium entre à son tour en contact avec
l'atome de néon qui lui aussi s'excite. En se désexcitant l'atome de néon
produit un photon. Ce photon en passant à proximité d'un autre atome
[pic]de Néon excité génère une émission stimulée de photon.
Attention une partie des photons émis peut servir à exciter les atomes de
Néon. Pour qu'il y ait amplification de l'onde lumineuse, il faut qu'il y
ait plus d'atome de Néon excité que dans leur état fondamental. Cet état
correspond à l'inversion de population, elle est réalisée à partir d'une
opération appelée pompage optique.
L'émission stimulée n'est possible que si le photon incident possède une
énergie E égale à la différence d'énergie entre 2 niveaux de l'atome
excité.
[pic] Le photon incident ainsi que celui produit par stimulation ont exactement
la même fréquence, la même direction de propagation et vibrent en phase.
Des photons possédant la même fréquence et vibrant en phase sont appelés
photons synchronisés ou cohérents. Une partie des photons traversent le
miroir semi réfléchissant et produisent un faisceau unidirectionnel et très
énergétique. L'autre partie est réfléchit et stimule la production d'autres
photons. Lors de leur aller retour, les ondes associées aux photons interfèrent. Ces
interférences doivent être constructives, par conséquent la distance aller
retour entre les miroirs doit être un nombre entier de longueur d'onde:
c'est l'amplification par effet laser. Les réflexions successives des
photons sur les miroirs constituent l'oscillateur laser.
2) les principales propriétés du laser
Un laser émet un faisceau de lumière cohérente:
- monochromatique
- unidirectionnel ce qui permet une concentration spatiale de
l'énergie. Le laser à impulsions permet de concentrer dans le temps
l'énergie grâce à des émissions de courte durée. III) Énergie d'édifices microscopiques La notion de niveau d'énergie s'applique à tout système microscopique :
noyau, atome molécules etc.
Il existe trois grands types de niveau d'énergie microscopique :
- les niveaux d'énergie électroniques (ces niveaux d'énergie sont
déterminés dans le cas d'un atome seul, non liée avec d'autre atome)
- les niveaux d'énergie nucléaire correspondant aux différents
niveaux d'énergie du noyau (de l'ordre de la centaine de kilos
électronvolt)
- les niveaux d'énergie au sein d'une molécule
1) niveau d'énergie électronique d'un atome
Un atome gagne ou cède de l'énergie en faisant transiter un électron d'un
niveau d'énergie quantifiée En à Ep . C'est une transition d'énergie
électronique. Lors d'une transition électronique, les atomes émettent ou
absorbent des photons dans le domaine UV (10-10 m < ( < 0,4.10-6 m) ou
visible (400 nm < ( < 800 nm).
Rappel: une énergie d'1 électronvolt (eV) est égale à:
1 eV = 1,6x10-19 J Exemple: On considère la raie jaune du doublet du sodium de longueur d'onde
( = 589,0 nm. Calculer l'énergie (E (en eV) qui correspond à l'émission de
cette radiation.
Réponse partielle, pour voir la correction vidéo clique ici :
(E = 2,11 eV
2) niveaux d'énergie au sein d'une molécule On distingue quatre types d'énergie au sein d'une molécule : 1) l'énergie électronique des électrons. Comme pour les rayonnements
électroniques des atomes, les rayonnements émis se trouvent dans le domaine
du visible et des UV.
2) l'énergie de translation de la molécule
3) l'énergie de vibration due aux oscillations des noyaux autour de
leur position d'équilibre.
[pic]
La transition entre deux niveaux d'énergie de vibrations correspond à 1/10
d'électronvolt environ. Les longueurs d'onde correspondant à ce type de
transition sont dans le domaine de l'infrarouge.
4) l'énergie de rotation de la molécule autour de son centre
d'inertie. La transiti