PROGRESSION DEPUIS LE DEBUT DE L’ANNEE SCOLAIRE ONDES

1. Ondes et particules 2. Caractéristiques des ondes 3. Propriétés des ondes

ANALYSE CHIMIQUE

4. Analyse spectrale 5. Réaction chimique par échange de proton 6. Contrôle de la qualité par dosage

TEMPS, MOUVEMENT ET EVOLUTION

7. Temps et évolution chimique : cinétique et catalyse 8. Cinématique et dynamique newtoniennes 9. Application des lois de Newton et des lois de Kepler 10. Travail et énergie 11. Temps et relativité restreinte

SYNTHESE DE MOLECULES ORGANIQUES

12. Représentation spatiale des molécules 13. Transformation en chimie organique : aspect macroscopique 14. Transformation en chimie organique : aspect microscopique 15. Stratégie de synthèse et sélectivité en chimie organique

ENERGIE ET DEVELOPPEMENT DURABLE

16. Transfert macroscopique d’énergie 17. Transfert quantique d’énergie et dualité onde-corpuscule 18. Les enjeux énergétiques 19. Une chimie pour un développement durable

TRANSMETTRE ET STOCKER L’INFORMATION

20. Numérisation de l’information 21. Transmission et stockage de l’information 22. Science et société

COURS 17 : TRANSFERT QUANTIQUE D’ENERGIE

ET DUALITE ONDE-CORPUSCULE

� Savoir que la lumière présente des aspects ondulatoire et particulaire.

� Extraire et exploiter des informations sur les ondes de matière et sur la dualité onde-

particule.

� Connaître et utiliser la relation � =�

�

� Identifier des situations physiques où le caractère ondulatoire de la matière est

significatif.

� Extraire et exploiter des informations sur les phénomènes quantiques pour mettre en évidence leur aspect probabiliste.

� Extraire et exploiter des informations sur un dispositif expérimental permettant de visualiser les atomes et les molécules.

� Connaître le principe de l’émission stimulée et les principales propriétés du laser (directivité, monochromaticité, concentration spatiale et temporelle de l’énergie)

� Mettre en œuvre un protocole expérimental utilisant un laser comme outil d’investigation ou pour transmettre de l’information.

� Associer un domaine spectral à la nature de la transition mise en jeu.

Activités

Vidéo mettant en évidence l’effet photoélectrique

(cliquer sur l’image)

En 1887, Heinrich Hertz découvre l’effet photoélectrique: des électrons sont arrachés à une surface métallique lorsqu’elle est frappée par un rayonnement électromagnétique.

Reconnaissance de phénomènes physiques

Identifier les différents phénomènes physiques présentés.

Phénomène n°1

Phénomène n°1 bis Phénomène n°2

Etude documentaire page 376 : Ondes ou particules ? Les physiciens n’y voient pas clair au début du XXe siècle. Correction :

Vidéo : La magie du Cosmos (partie 3 ; visionner à partir de t= 11 min 56) Interférence particule par particule Caractère probabiliste de la mécanique quantique

Etude documentaire page 377 : De la dualité onde particule à l’aspect probabiliste de la mécanique quantique Correction :

Etude documentaire pages 380 et 381 : Le microscope électronique Correction :

Vidéo : C’est pas sorcier Le fonctionnement du LASER

I) DUALITE ONDE-PARTICULE

1) Dualité onde-particule de la lumière

Actuellement les rayonnements électromagnétiques (rayons γ, rayons X, UV, lumière visible, IR, …) sont décrits comme des flux de photons transportant de l’énergie. Un photon se comporte, selon le contexte expérimental, soit comme une onde, soit comme une particule non chargée et de masse nulle se déplaçant à la vitesse c dans le vide. On parle de dualité onde-particule. Mais un photon est ni une onde ni une particule. C’est un objet quantique.

L’énergie d’un photon est E = h ν

Dans le vide, E = h ν = h

�

�

E = énergie exprimée en Joule (J) h = 6,63 x 10-34 J.s appelé constante de Planck ν = fréquence exprimée en Hertz (Hz)

Remarque :

« La métaphore du cylindre est l'exemple d'un objet ayant des propriétés apparemment inconciliables. Il serait à première vue déroutant d'affirmer qu'un objet a à la fois les propriétés d'un cercle et d'un rectangle : sur un plan, un objet est soit un cercle, soit un rectangle.

Mais si l'on considère un cylindre : une projection dans l'axe du cylindre donne un cercle, et une projection perpendiculairement à cet axe donne un rectangle.

De la même manière, « onde » et « particule » sont des manières de voir les choses et non les choses en elles-mêmes. » Wikipedia

2) Dualité onde-particule de la matière

En 1923, le physicien français Louis De Broglie propose que la dualité onde-particules de la lumière s’applique aussi à toute particule matérielle (c'est-à-dire ayant une masse)

Remarque :

La dualité onde-particule conduit à associer une onde de longueur d'onde λ à toute particule, matérielle ou non, de quantité de mouvement de valeur p telle que :

� =�

�

p : quantité de mouvement (kg.m.s-1) h = 6,63 x 10-34 J.s λ : longueur d’onde (m)

3) Caractère probabiliste: Les phénomènes quantiques présentent un caractère probabiliste. On peut au mieux établir la probabilité de présence d'une particule à un endroit donné.

II) LES TRANSFERTS QUANTIQUES D’ENERGIE

1) Emission et absorption des photons par les atomes La matière peut absorber ou émettre des rayonnements électromagnétiques.

a. Le diagramme énergétique : Le modèle théorique permettant d’expliquer ces phénomènes s’appuie sur un diagramme d’énergie montrant que l’atome ne peut exister que dans certains états d'énergie bien définis.

Les différents états sont représentés par des lignes horizontales. Lorsqu’un atome est à son niveau d’énergie le plus bas, il est dans son état fondamental. C’est l’état stable de l’atome. Lorsqu’un atome est à un niveau d’énergie plus élevé, il est alors dans son état excité.

A l’échelle de l’infiniment petit, il se produit l’absorption ou l’émission d’un photon par l’atome, qui est alors le siège d’une transition énergétique, c'est-à-dire le passage d’un état à un autre.

b. L’absorption spontanée :

L’absorption spontanée d’un photon se produit lorsque l’atome passe d’un état d’énergie inférieur Einf à un niveau d’énergie supérieure Esup. Il faut pour cela que l’énergie du photon corresponde exactement à la différence des états d’énergie à savoir hν = Esup - Einf

c. L’émission spontanée :

L’émission spontanée d’un photon se produit lorsque l’atome passe d’un état d’énergie supérieure Esup à un état d’énergie inférieure Einf. La fréquence ν du photon sera déterminée par la différence d’énergie entre les deux états selon la relation :

= �� � − ����

ℎ

L’émission spontanée a lieu de façon aléatoire, dans n’importe quelle direction.

d. L’émission stimulée

Lors de l’émission stimulée, un photon incident interagit avec un atome initialement excité et provoque l’émission d’un second photon par cet atome. L’énergie du photon incident doit être égale à la différence d’énergie entre deux niveaux d’énergie de cet atome. Les photons incident et émis possèdent la même fréquence, les mêmes direction et sens de propagation et sont en phase.

2) La lumière laser

a. Acronyme Le terme laser est l’acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of radiation. L’expression explique le mode de production d’une telle lumière : amplification de la lumière par émission stimulée d’un rayonnement.

b. Mode de production de la lumière laser Inversion de population

L’émission stimulée est favorisée par l’inversion de population qui consiste à maintenir plus d’atomes dans un état excité que dans l’état fondamental. Cette situation est obtenue grâce à un apport d’énergie.

L’apport d’énergie permet aux atomes de passer du niveau fondamental (1) à un niveau excité (3). Les atomes ne restent pas sur ce niveau, mais redescendent spontanément et très rapidement vers un état d’énergie (2). La transition de l’état (2) vers l’état (1) pourra alors se produire lors d’une émission spontanée ou stimulé. Remarque Lorsque l’apport d’énergie est assuré par des sources lumineuses, on parle de pompage optique.

Amplification

Le milieu laser est placé entre deux miroirs disposés face à face qui imposent des allers-retours aux photons. Cela permet d’augmenter le nombre d’interactions entre les photons et les atomes favorisant ainsi les photons produits par émission stimulée. Une source d’énergie crée et entretient l’inversion de population.

Lors des allers-retours, les ondes associées aux photons vont interférer entre elles. Afin qu’il n’y ait pas de perte d’intensité lumineuse, les interférences doivent être constructives. Pour cela, pour un milieu laser d’indice voisin de 1, la distance aller-retour entre les deux miroirs doit être un multiple de la longueur d’onde.

L’un des deux miroirs étant partiellement transparent, une partie du rayonnement produit sort de l’oscillateur. On obtient un faisceau laser qui est émis soit de manière continue ou par impulsions.

c. Propriétés et applications du laser Directivité: Le faisceau émis par un laser est très directif: sur un écran placé à 100 m, le diamètre de la tache est de l’ordre de 10 cm. Cette directivité est utilisée:

pour réaliser des alignements; pour mesurer des distances comme la distance Terre-Lune.

Monochromaticité: La lumière du laser est monochromatique. En effet, la cavité résonante, de longueur L, n’amplifie par les interférences constructives que les ondes de longueur d’onde telle que: 2 L = k λ. Cette monochromaticité est utilisée:

pour mesurer des vitesses par effet Doppler; pour refroidir des atomes.

Cohérence: Dans une source ordinaire, la lumière est produite par émission spontanée. Deux atomes voisins se comportent donc comme des sources indépendantes et incohérentes l’une avec l’autre. Pire, deux émissions successives du même atome sont incohérentes entre elles. Dans un laser, la lumière est produite par émission simultanée: deux atomes voisins se comportent alors comme des sources cohérentes, propriété qui confère à la lumière laser sa grande cohérence. Cette grande cohérence est utilisée:

en laboratoire: hologrammes, mesures; dans la vie quotidienne: lecture de CD ou de DVD.

Concentration spatiale et temporelle: Les lasers sont des sources lumineuses très intenses car l’énergie rayonnante est concentrée dans un pinceau très étroit. De plus cette énergie rayonnée peut être concentrée dans le temps: les lasers à impulsions émettent des radiations d’une puissance considérable pendant une durée très brève. Cette concentration de l’énergie est utilisée:

dans la recherche: essais de fusions thermonucléaire; dans l’industrie: soudure, découpe, usinage des métaux; en médecine: bistouri optique en microchirurgie.

3) Types de transitions énergétiques et domaine spectraux.

Document donné à titre indicatif

ANNEXE:

Document 1: Les deux aspects corpusculaires et ondulatoires sont-ils conciliables ? Pour apporter une réponse à cette question, les chercheurs réalisent des expériences qui ne furent au départ que des expériences de pensée. L’une de ces expériences consiste à obtenir des interférences avec une source lumineuse capable d’envoyer, sur deux fentes parallèles (appelées fente d’Young), des photons, un par un à intervalles réguliers. Les observations sont les suivantes: *chaque photon arrive en un point bien déterminé sur l’écran mais la position de l’impact est imprévisible; *la figure d’interférence apparaît progressivement, les photons arrivant un par un «s’arrangent» progressivement en formant des franges d’interférence; *il n’est pas possible de déterminer par quelle fente passe les photons: toute tentative d’observation perturbe le phénomène et entraîne la disparition de la figure d’interférence. L’interprétation fait apparaître l’étrangeté du phénomène: #les photons se comportent comme des particules localisées spatialement lorsqu’ils arrivent sur l’écran, mais il n’est pas possible de confirmer ce comportement particulaire en déterminant par quelle fente passe un photon et quelle est sa trajectoire; #les photons montrent un comportement ondulatoire en formant peu à peu la figure d’interférence, mais l’expérience étant faite photon après photon, un photon n’a pas pu interférer avec un autre. Chaque photon semble donc être passé simultanément par les deux fentes, ce qui n’est pas envisageable pour une particule indivisible. Dans une expérience d’interférence, on ne peut pas prévoir la position de l’impact 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 zone où un photon a une probabilité de présence minimale ou maximale. La même expérience réalisée, non pas avec des photons, mais avec des électrons, conduit aux mêmes observations. L’électron, comme le photon, sont des objets quantiques.

Pour les curieux : http://www.canal-u.tv/video/universite_de_tous_les_savoirs/la_physique_quantique_philippe_grangier.1434

Exercice LAMPE A VAPEUR DE SODIUM On utilise les lampes à vapeur de sodium pour éclairer des tunnels routiers. Ces lampes contiennent de la vapeur de sodium à très faible pression. Cette vapeur est excitée par un faisceau d’électrons qui traverse le tube. Les atomes de sodium absorbent l’énergie des électrons. L’énergie est restituée lors du retour à l’état fondamental sous forme de radiations lumineuses. Les lampes à vapeur de sodium émettent surtout de la lumière jaune.

Données : h = 6,62×10 -34 J.s c = 3,00×108 m.s-1 e = 1,60×10-19 C

1. L’analyse du spectre d’émission d’une lampe à vapeur de sodium révèle la présence de raies de longueur d’onde λλλλ bien définie.

1.1. Quelles sont les longueurs d’onde des raies appartenant au domaine du visible ? au domaine des ultraviolets ? au domaine de l’infrarouge ? 1.2. S’agit-il d’une lumière polychromatique ou monochromatique ? Justifier votre

réponse. 1.3. Quelle est la valeur de la fréquence ν de la raie de longueur d’onde λ = 589,0

nm ? 1.4. Parmi les données présentées en début de l’exercice, que représentent les

grandeurs h et e ?

2. On donne en annexe à remettre avec la copie le diagramme simplifié des niveaux d’énergie de l’atome de sodium.

2.1. Indiquer sur le diagramme en annexe 4 à rendre avec la copie, l’état fondamental et les états excités. 2.2. En quoi ce diagramme en annexe 4 permet-il de justifier la discontinuité du spectre d’émission d’une lampe à vapeur de sodium ?

2.3. On considère la raie jaune du doublet du sodium de longueur d’onde λ = 589,0 nm.

Spectre d’émission d’une lampe à vapeurs de sodium

330,3 nm

568,8 nm

doublet 589,0 / 589,6 nm

615,4 nm 819,5 nm 1138,2 nm

2.3.1. Calculer l’énergie ∆E (en eV) qui correspond à l’émission de cette radiation. (On donnera le résultat avec le nombre de chiffres significatifs adapté aux données). 2.3.2. Sans justifier, indiquer par une flèche notée 1 sur le diagramme des niveaux d’énergie en annexe 4 à remettre avec la copie la transition correspondante.

3. L’atome de sodium, considéré maintenant à l’état E1, reçoit une radiation lumineuse dont le quantum d’énergie ∆∆∆∆E’ a pour valeur 1,09 eV.

3.1. Cette radiation lumineuse peut-elle interagir avec l’atome de sodium à l’état E1 ? Justifier.

3.2. Représenter sur le diagramme en annexe 4 à rendre avec la copie la transition correspondante par une flèche notée 2. La raie associée à cette transition est-elle une raie d’émission ou une raie d’absorption ? Justifier votre réponse.

Diagramme simplifié des niveaux d’énergie de l’atome de sodium

E ( en eV )

0

E5 = - 0,85

E4 = - 1,38

E3 = - 1,52

E2 = - 1,94

E1 = - 3,03

E0 = - 5,14

I) ANNEXE 4

(à rendre avec la copie)

Correction Lampe à vapeur de sodium 1.1. (0,25) Domaine UV : 330,3 nm (0,25) domaine du visible: 568,8 nm, 589,0/589,6 nm et 615,4 nm (0,25) domaine IR: 819,5 nm et 1138,2 nm 1.2. (0,25) Il s'agit d'une lumière polychromatique car elle contient plusieurs radiations de longueurs d'onde différentes.

1.3. (0,25) vλν

= donc la fréquence v = v

λ et dans le cas de la lumière v = λ

c

(0,25) v = 9

8

10.0,58910.00,3

− = 5,09.1014 Hz

1.4. (0,25) h est la constante de Planck qui permet de lier l'énergie à la fréquence E = h.v e est la charge électrique élémentaire. 2. 1. (0,25) sur schéma ci-contre. 2.2. (0,25) Les niveaux d'énergie de l'atome sont quantifiés: ils ne peuvent prendre que des valeurs bien précises. L'énergie de l'atome étant quantifiée ses spectres d'émission ou d'absorption seront discontinus.

2.3.1. (0,75) ∆E = h. λc

en J

∆E = h. .

c

eλ en eV

∆E = 6,62.10–34 × 199

8

10.60,110.0,58910.00,3

−− ×

∆∆∆∆E = 2,11 eV 2.3.2. (0,25) Transition entre E1 et E0 3.1. (0,5) Pour que cette radiation lumineuse interagisse avec l'atome, elle doit posséder une énergie égale à la différence d'énergie entre deux niveaux de l'atome. ∆E' = 1,09 = E2 – E1 3.2. (0,5) L'atome absorbe de l'énergie lorsqu'il passe de l'état E1 à l'état E2. La raie correspondante est une raie d'absorption

E ( en eV )

0

E5 = - 0,85

E4 = - 1,38

E3 = - 1,52

E2 = - 1,94

E1 = - 3,03

E0 = - 5,14

États excités État fondamental

1

2