Postulat d'Einstein - Serveur pédagogique de l'Académie de Lyon

FICHE 1
PRÉSENTATION


|Titre |L'atome de néon : onde ou particule ? |
|Type |Activité documentaire |
|d'activité | |
|Objectifs de |Sur le contenu : analyser une expérience récente qui met en |
|l'activité |évidence la dualité onde-particule dans le cas d'atomes de |
| |néon. |
| |Sur la méthode : travailler la méthode de la synthèse de |
| |documents. |
|Références par|Cette activité illustre le thème : « COMPRENDRE » |
|rapport au |le sous thème « Énergie, matière et rayonnement » |
|programme |et la partie : Dualité onde-particule |
| | |
| |en classe de terminale S |
| |Notions et contenus : |Compétences exigibles |
| |Photon et onde |Savoir que la lumière présente des |
| |lumineuse. |aspects ondulatoire et particulaire. |
| | |Extraire et exploiter des |
| |Particule matérielle |informations sur les ondes de matière|
| |et onde de matière ; |et sur la dualité onde-particule. |
| |relation de de |Connaître et utiliser la relation |
| |Broglie. |p=h/(. |
| | |Identifier des situations physiques |
| | |où le caractère ondulatoire de la |
| | |matière est significatif. |
| | |Extraire et exploiter des |
| |Interférences photon |informations sur les phénomènes |
| |par photon, particule |quantiques pour mettre en évidence |
| |de matière par |leur aspect probabiliste. |
| |particule de matière. | |
|Conditions de |Prérequis : |
|mise en ?uvre |ondes lumineuses et interférences |
| |modèle newtonien de la chute libre |
| | |
| |Durée : 30 mn |
| | |
| |Contraintes matérielles : aucune |
|Remarques | |
| |Cette activité s'inscrit dans la progression : |
| |activité 1 : mise en évidence expérimentale des quanta de |
| |lumière |
| |activité 2 : les multiples facettes de la lumière |
| |? activité 3 : l'atome de néon, onde ou particule ? |
|Auteur |Tristan RONDEPIERRE |Académie de LYON |


FICHE 2
LISTE DU MATÉRIEL


L'atome de néon : onde ou particule ?

Aucun matériel


FICHE 3

Fiche pour le professeur


L'atome de néon : onde ou particule ?

OBJECTIFS DE L'ACTIVITÉ :

Sur le contenu :
. analyser une expérience récente qui met en évidence la dualité
onde-particule dans le cas d'atomes de néon ;
. introduire et exploite un critère permettant de reconnaître une
situation où le caractère ondulatoire de la matière est
significatif.

Sur la méthode : travailler la méthode de la synthèse de documents.


COMMENTAIRES SUR L'ACTIVITÉ :


À propos du choix de la situation étudiée :
L'expérience choisie comme support de cette activité est récente. On
considère souvent que c'est la diffraction des électrons dans les
cristaux de nickel par Davisson et Germer en 1927 qui est la première
validation des hypothèses de de Broglie. Cependant cette expérience
historique est complexe et fait appel à des notions que les élèves de
terminale S ne possèdent pas, en cristallographie notamment. Le fait
marquant est que Davisson et Germer ont retrouvé pour les électrons la
loi de Bragg initialement établie pour les rayons X. Or nos élèves
ignorent tout de la loi de Bragg, cette expérience a donc peu de
chance de les marquer. Nous faisons donc le choix d'une autre
expérience, plus récente, mais dont l'exploitation pédagogique est
plus aisée et plus directe.

Un prolongement possible :
Un calcul théorique de l'interfrange est possible. En effet le
document original est le suivant :

[pic]

L'échelle y est indiquée alors que nous l'avons effacée dans l'énoncé
que nous proposons pour les élèves. Cela permet donc une mesure de
l'interfrange, qu'il est possible de comparer au calcul théorique.
Cependant ce dernier est complexe car la longueur d'onde de de Broglie
varie au cours du mouvement de l'atome, sa vitesse et donc sa quantité
de mouvement étant elles-mêmes variables. Nous renonçons donc à ce
calcul. L'enseignant qui souhaite compléter cette activité avec une
partie quantitative peut se référer au document d'accompagnement
disponible sur le site Éduscol sur la dualité ondes particules où à
l'article de Fujio Shimizu et al.


Précisons enfin que le choix retenu ici consiste à exploiter la
mécanique de Newton pour déterminer la vitesse atteinte par les atomes
au moment où ils atteignent la bi-fente. Ceci permet d'illustrer, de
manière un peu simpliste mais nous l'assumons à ce niveau, un critère
permettant de reconnaître une situation où la physique classique
fonctionne d'une autre où la physique quantique s'impose. Ici le
message est : « la physique de Newton est pertinente tant que l'atome
ne rencontre pas d'obstacle dont la dimension est suffisamment
petite ».


DEROULEMENT DE L'ACTIVITÉ :

. La partie 1 est une révision de la mécanique classique et pourra être
traitée à la maison.
. L'enseignant ne devra distribuer l'image du document ( qu'après que
les élèves auront traité la partie 1.



CORRECTION DES QUESTIONS :


1ère partie : étude newtonienne de la chute d'un atome

a) Exprimer dans cette situation la 2ème loi de Newton et en déduire :
. la valeur de l'accélération a de l'atome ;
. l'expression de la valeur de sa vitesse v(t) en fonction du
temps ;
. l'expression de sa coordonnée de position y(t) en fonction du
temps.
. La deuxième loi de Newton s'écrit ici :
[pic]
La valeur de l'accélération est donc : a = g
Le mouvement étant à une dimension on a [pic], donc v(t) est une
primitive de a tenant compte de la condition initiale v(0)=0. La
valeur de la vitesse est donc :
[pic]
Le mouvement étant vertical on a [pic], donc y(t) est une primitive
de v(t) tenant compte de la condition initiale y(0)=0. D'où :
[pic]
b) Calculer numériquement la durée au bout de laquelle il atteint la
double fente et en déduire celle de la vitesse avec laquelle il
atteint la fente double.
. Un atome atteint la double fente si [pic]. La durée de la chute
vaut donc :
[pic]
et la vitesse au moment de l'impact :
[pic]
c) Tous les atomes de néon ne partent pas exactement de la même position
(autrement dit la source n'est pas ponctuelle) mais on peut supposer
que leurs mouvements ont tous la même direction initiale verticale. Si
on applique la mécanique newtonienne jusqu'à la fin du mouvement de
l'atome, que prévoit-on d'observer sur l'écran de détection suite à la
chute d'un grand nombre d'atomes ? On pourra illustrer cette prévision
d'un schéma.
. Selon la mécanique newtonienne la trajectoire d'un atome en chute
est une droite. Donc soit il atteint une fente et il passe, soit il
atteint une paroi et il ne passe pas. On devrait donc observer un
motif semblable à la force de la fente double :
[pic]

2ème partie : validation expérimentale des travaux de de Broglie

a) Noter toutes les différences entre votre prévision de la question
(1.c) et les résultats effectivement obtenus.
. La figure obtenue ne possède pas de bords nets. On trouve des
impacts d'atomes à des endroits qui ne sont pas à la verticale des
ouvertures de la bi-fente. De plus on observe une alternance de
zones où les impacts sont nombreux et de zones où ils sont
quasiment absents.
b) Sans faire de calcul, montrer que cette expérience valide l'hypothèse
de Broglie sur les « ondes de matière ». Un paragraphe rédigé et basé
sur des informations extraites des documents est attendu.
. La figure obtenue rappelle la figure d'interférence lumineuse qu'on
obtiendrait avec un faisceau laser traversant une bifente de Young,