Terminale S TP n°17 Energie

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Transferts d’énergie macroscopique et microscopique

Première Partie : les microscopes

L’émergence des nanosciences et des nanotechnologies n’est devenue possible que grâce aux progrès spectaculaires des techniques d’observation et de manipulation. Trois grands types de microscopies sont particulièrement utilisés : les microscopies à sonde locale, développées à partir des années 1980, la microscopie électronique à transmission beaucoup plus ancienne (vers 1930) et les microscopies électroniques à balayage (autour de 1965). Les microscopies à sonde locale constituent aujourd’hui une vaste famille d’instruments qui ont révolutionné notre connaissance des surfaces de solides et permettent de construire, atome par atome, des nano-objets. Mais les microscopies électroniques conventionnelles ont considérablement évolué et donnent accès à de nombreuses informations, en surface et en volume…

D’après CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005.

Doc. 1 : Comment voir ou « sentir » le nanomonde ?

Pour connaître un objet, il faut interagir avec lui d’une manière ou d’une autre et recevoir des informations qui en proviennent. Les techniques utilisables peuvent être globalement réparties en trois familles : celles qui étudient un signal naturellement ou artificiellement émis par l’objet, celles qui envoient un signal sur lui et étudient le signal qu’il réémet et les techniques qui entrent en contact direct avec l’objet en mesurant une force d’interaction entre une sonde et lui.

DETECTER DES SIGNAUX EMIS PAR L’OBJET

Nous connaissons les étoiles et pourtant nous n’interagissons pas avec elles. Les grosses structures peuvent émettre naturellement des signaux suffisamment importants pour qu’ils soient détectables à de grandes distances. Dans le cas des nano-objets, les émissions sont généralement si faibles qu’elles sont noyées dans les signaux des objets environnants. Il faut donc soit isoler le nano-objet pour être sûr que le signal émis vienne de lui et lui seul (par exemple, isolement d’atomes par un faisceau laser ou celui de quelques nanostructures sur des nanoplots gravés pour étudier leur luminescence), soit situer le détecteur à proximité de l’objet. Cela étant, la plupart des nano-objets ne sont pas radioactifs ou naturellement phosphorescents et il faut donc les solliciter, les exciter pour qu’ils émettent un signal. Le cas du microscope à sonde atomique appartient à cette famille et est particulièrement intéressant. Une impulsion électrique brève et importante vient arracher couche par couche les atomes de l’objet, qui a été affiné sous la forme d’une fine pointe. La masse atomique des atomes arrachés peut être analysée avec un spectromètre de masse et la structure atomique tridimensionnelle reconstruite couche après couche. Malheureusement, cette technique nécessite un objet conducteur et la réalisation d’une pointe avec un rayon de courbure parfait et tous les nano-objets ne peuvent pas avoir cette géométrie. Dans le cas d’un microscope à effet tunnel (STM), une pointe très fine est amenée à proximité de la surface de l’objet et vient arracher localement des électrons.

UTILISER UN SIGNAL-SONDE

C’est le principe de la vue “classique” et de tous les microscopes conventionnels. Une sonde est envoyée sur l’objet et la réémission (réflexion ou transmission) du signal incident est utilisée pour caractériser l’objet. Suivant le type de sonde utilisée (lumière visible, rayons X, électrons, ions, ultrasons…), on obtient des microscopies optiques, Raman, à rayons X, électroniques, ioniques, acoustiques… Dans ce type d’expérience, la résolution de la technique est déterminée par la longueur d’onde associée au signal-sonde. Une interaction forte entre la sonde et l’objet est nécessaire pour obtenir une image d’un objet unique et petit.

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PSEUDO-CONTACT OU FORCE D’INTERACTION

C’est la technique de l’aveugle qui palpe les objets. Une sonde est rapprochée de l’objet de façon à ce qu’une force d’interaction, que l’on peut appeler un pseudo-contact, s’établisse entre eux. L’information est obtenue en balayant la surface de l’objet et en observant comment la force appliquée sur la sonde varie. Pour avoir une information spatiale très locale, la sonde-contact doit être très petite. Ce type d’expérience ne fournit généralement qu’une information de surface. Mais c’est une technique qui fascine et qui est une des rares qui permettent de manipuler individuellement les atomes ! Les microscopies à force atomique

(AFM) et à force magnétique (MFM) appartiennent à cette catégorie. Clefs du CEA – n°52 – été 2005.

Doc. 2 : le microscope à effet tunnel permet de jouer avec les atomes

Consultez la vidéo (1 min. 40) disponible à l’adresse www.universcience-vod.fr/media/636/microscope-a-effet-tunnel.html

Ce paysage est une version de la surface d’un métal. Le microscope dit à effet tunnel permet de « voir » chaque atome, mais aussi d’agir sur la matière à cette échelle. Le film explique comment cette image est obtenue et montre des exemples de fabrication de nanomoteurs.

Doc. 3 : évolution des microscopes électroniques à balayage et à transmission

Développées depuis plus de cinquante ans, les microscopies électroniques conventionnelles ont connu des progrès techniques considérables et leur apport aux nanosciences est fondamental. La microscopie électronique à transmission atteint depuis de nombreuses années la résolution atomique, soit environ deux dixièmes de nanomètre. Le microscope à balayage constitue un outil d’une extrême souplesse, mais sa résolution ne fait qu’avoisiner le nanomètre. La microscopie en balayage et à transmission est un instrument de choix pour voir les structures en volume, les interfaces et la composition chimique. Ci-contre, les différents modes de fonctionnement des microscopes électroniques. La position du ou des détecteur(s) qui servent à former l’image est indiquée en rouge. Les STEM et les TEM peuvent également avoir des détecteurs situés en amont de l’échantillon.

Microscope électronique à transmission (MET) JEOL de 400 kV au CEA de Grenoble. Actuellement équipé d’une caméra CCD haute résolution, cet instrument permet de visualiser les défauts de structures cristallines avec une résolution inférieure à 0,17 nm (J.-L. Rouvière).

Doc. 4 : le microscope à force atomique

Consultez la vidéo (3 min. 20) à l’adresse www.cea.fr/technologies/le_microscope_a_force_atomique_afm_simple_et

Vue de très près, la surface d’un matériau est un véritable champ de forces : Nicolas Chevalier, chercheur au CEA de Grenoble et spécialiste du microscope à force atomique, en décrit le principe de fonctionnement et présente quelques applications.

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Doc. 5 : le microscope holographique et l’observation du nanomonde

Depuis quelques années, le centre CEA de Grenoble utilise un « microscope-holographique » 300 kV équipé d’un correcteur d’aberration sphérique au niveau des lentilles condenseurs. En mode balayage (STEM, Scanning Transmission Electron Microscope), ce microscope électronique à transmission (TEM) a une résolution approchant les 0,1 nm. Cet outil est désormais installé dans les nouveaux bâtiments de Minatec (1). Une plate-forme de microscopie y est également présente, réunissant les équipements de microscopie de trois laboratoires du CEA/Grenoble (recherche fondamentale du DRFMC et recherches appliquées en microélectronique [Leti] et en métallurgie/énergies nouvelles [Liten]). De par ses détecteurs (caméra CCD 4096×4096 pixels, spectromètre Gatan-Tridiem post-colonne, détecteur de rayons X) et équipements (correcteur d’aberration au niveau du condenseur, lentille de Lorentz, module STEM), ce nouveau microscope est l’un des microscopes les plus performants au monde. Il permet de nombreuses mesures sur un même objet. Les figures ci-jointes illustrent quelques-unes des possibilités exceptionnelles de cet équipement,

visualisation de colonnes atomiques de dopants (figure 1) ;

visualisation de potentiels électriques (figures 2 et 3) ;

visualisation de potentiels magnétiques (figure 4).

Figure 1 Figure 2

Figure 3 Figure 4

Un effort tout particulier a été consacré à l’holographie électronique, technique, proposée dès 1948 par Gabor, prix Nobel 1971, mais encore peu développée en France. Cette holographie permet de remonter directement à l’amplitude et à la phase de la fonction d’onde (2) de l’électron (figure 2), alors que la plupart des expériences ne mesurent soit que l’amplitude, soit que la phase. En microscopie électronique, la technique holographique la plus utilisée consiste à faire interférer la partie du faisceau incident qui passe à côté de l’objet (l’onde de référence) avec la partie du faisceau qui traverse l’objet (la fonction d’onde à déterminer). La superposition des deux faisceaux s’effectue grâce à un déflecteur de faisceaux, le biprisme de Möllenstedt, qui est constitué d’un fil de très petit diamètre (environ 1 micron) porté à un potentiel de quelques dizaines, voire de centaines de volts. (1) Minatec = complexe scientifique européen consacré aux nanotechnologies et situé à Grenoble. (2) fonction d’onde = représentation de l’état quantique dans la base de dimension infinie des positions.

Journal du polygone scientifique - avril 2010.

Extraire l’information 1. Combien existe-t-il de familles de techniques utilisées dans la microscopie moderne ? Les citer et décrire

succinctement le principe sur lequel elles reposent. 2. Quel est le point commun entre un microscope optique et un microscope électronique ? 3. Parmi les microscopes électroniques présentés :

a. Donner le principal avantage du microscope à balayage (SEM) ; b. Décrire le fonctionnement du microscope à transmission (TEM).

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4. Dans quelle mesure le microscope à effet tunnel (STM) permet-il d’« agir sur la matière » ? 5. En quoi consiste la « fabrication » de nano-moteurs par un microscope à effet tunnel ? 6. Le microscope à effet tunnel permet-il d’étudier tout type de surface ? Expliquer. 7. Quel est l’élément le plus important du microscope à force atomique (AFM) ? Justifier. 8. Quelle grandeur physique est mesurée par un microscope à force atomique ? 9. Le microscope à force atomique fournit-il une information à deux ou trois dimensions ? 10. On souhaite comparer le microscope à effet tunnel et le microscope à force atomique : énoncer un point

commun et une différence notable concernant leur fonctionnement. 11. Quel phénomène ondulatoire est utilisé dans le microscope holographique ? 12. En plus de l’observation des colonnes d’atomes, quelles propriétés de la matière sont directement

visualisables grâce au microscope holographique ?

Exploiter l’information 1. Associer chaque microscopie (citée ci-dessous) à la longueur d’onde du signal-sonde qu’elle utilise :

Microscopie Longueur d’onde

optique • • 0,5 µm

à rayons X • • 1 pm

électronique • • 2 µm

acoustique • • 3 nm

2. Sachant que plus la longueur d’onde est courte, plus la résolution du microscope est fine, classer les microscopies évoquées par performance croissante.

3. Quel peut-être l’intérêt d’utiliser un microscope électronique associant balayage et transmission ? 4. A l’aide du MET JEOL, est-il possible de discerner un atome de germanium (de diamètre 245 pm) inséré

dans une structure cristalline quelconque ? Justifier la réponse. 5. Pour quelle raison la pointe d’un AFM doit être extrêmement proche de la surface du matériau à étudier ? 6. Le microscope holographique « permet de remonter directement à l’amplitude et à la phase de la fonction d’onde de

l’électron ». Expliquer cette phrase. 7. Quel est l’intérêt d’utiliser un biprisme dans le microscope holographique ? La réponse donnée pourra

s’appuyer sur un schéma légendé.

Résoudre une problématique Vous êtes une équipe d’ingénieurs en physique des matériaux. Vous travaillez sur le site d’une centrale nucléaire contenant trois réacteurs et une zone de stockage des déchets radioactifs. Votre « mission » est d’étudier le vieillissement en surface, à l’échelle atomique, des objets soumis à différents types de rayonnements ionisants :

pièces métalliques irradiées qui sont présentes dans le cœur de chaque réacteur ;

parois constituant l’enveloppe interne des conteneurs qui accueillent les déchets. A l’aide des documents étudiés et des informations collectées (parties 1 et 2 seules), choisir le microscope vous semblant le mieux adapté afin de mener une étude précise et rigoureuse ! Une réponse argumentée et détaillée est attendue, sous forme d’un compte rendu d’une dizaine de lignes.

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Deuxième Partie : Transferts macroscopiques Premier problème : Bonne ou mauvaise isolation thermique ?

L’objectif de la réglementation thermique 2012 (RT2012) est d’imposer aux nouveaux logements une consommation

maximale de 50 kWh.an1 par m² habitable. Cette norme impose des valeurs minimales pour les résistances thermiques des parois en contact avec des zones froides : extérieur de la maison, combles, garages, etc. Le tableau suivant donne les résistances thermiques surfaciques de référence pour une habitation à moins de 800 m d’altitude.

Type de paroi mur extérieur combles Garage

Valeur minimale de la résistance thermique surfacique de la paroi r

(m².K.W1)

2,3 2,5 2,0

La résistance thermique Rth d’une paroi est définie par 1 2th

T TR

où T1 T2 est l’écart de température entre la

face la plus chaude de la paroi et sa face la plus froide (kelvins ou degrés Celsius) et Φ le flux thermique à travers la paroi en W. Pour une paroi de surface S, la relation entre résistance thermique Rth et résistance surfacique r du

matériau est th

rR

S .

1. Une salle de séjour de surface 27 m² est chauffée par deux radiateurs électriques de puissance 1 000 W

chacun. Avant le chauffage, la température de la pièce est T1 = 17°C. a. Quelle est l’énergie fournie à la pièce par ces radiateurs s’ils fonctionnent pendant 2 h 30 min ? b. Par quel mode de transfert l’énergie est-elle reçue par les radiateurs ? c. Par quel mode de transfert est-elle transmise à l’air de la pièce ? d. Les radiateurs sont programmés pour s’arrêter au bout de 2 h 30 min. La température de la pièce

est alors T2 = 22°C. En attendant encore 2 h 30 min après l’arrêt des radiateurs, on constate que la température de la pièce est redescendue à T1 = 17°C.

i. Qu’est devenue l’énergie fournie par ces radiateurs ? ii. Quelle a été la consommation d’énergie pour cette pièce pendant ces 5 heures ?

iii. Quelle est la valeur maximale autorisée par la réglementation RT2012 pour cette pièce en 5 heures ? Cette maison respecte-t-elle la réglementation ?

iv. Ce raisonnement n’est en réalité pas suffisant pour conclure que la pièce respecte ou non la réglementation : quels paramètres ne sont pas pris en compte ?

2. La pièce étudiée ayant un défaut d’isolation, le propriétaire fait appel à un spécialiste, l’économe de flux, afin de déterminer les murs les moins isolés de la pièce avant d’effectuer des travaux. L’économe constate que deux murs, d’une surface totale de 25 m², donnent sur l’extérieur ; un troisième mur de 10 m² donne sur le garage, et le dernier mur donne sur d’autres pièces attenantes. Enfin, le plafond du séjour est situé juste sous les combles. Les mesures sont effectuées quand l’ensemble des pièces de l’intérieur de la maison (garage et combles non compris) sont à la température Tint = 20°C.

a. On souhaite calculer les pertes par les murs donnant sur l’extérieur. En utilisant un capteur de flux thermiques, l’économe évalue le flux thermique à travers les murs donnant sur l’extérieur à Φext = 100 W.

i. En déduire l’énergie ainsi perdue en 1 heure. ii. La température de l’extérieur étant Text = 8°C, montrer que la résistance thermique des

murs donnant vers l’extérieur est Rth = 0,12 K.W1. iii. Ce mur respecte-t-il la valeur minimale de la résistance thermique surfacique imposée par

RT2012 ? b. On souhaite calculer les pertes par le plafond.

i. Quelle doit être la valeur minimale de Rth pour le plafond de cette pièce ? ii. Les combles étant à la température Tcombles = 10°C, en déduire le flux maximal qui peut être

perdu par le plafond pour respecter la réglementation.

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c. Le propriétaire décide de recouvrir le sol de ses combles de laine de verre, ce qui augmente

l’isolation. La résistance thermique de l’ensemble constitué par le plafond et la laine de verre est-elle supérieure ou inférieure à celle du plafond sans isolant ? Justifier en vous appuyant sur le flux thermique.

3. En vous appuyant sur vos connaissances et les raisonnements de cet exercice, rédiger un texte d’une vingtaine de lignes résumant en des termes scientifiques précis l’intérêt des préconisations de la réglementation concernant les matériaux à utiliser dans la construction.

Deuxième problème : Le congélateur

Un congélateur est chargé de congeler 5,0 kg d’aliments, de capacité thermique massique c = 3,4.103 J.kg1.K1 avant congélation. Cette opération se déroule en trois étapes : abaissement de la température pour atteindre 0°C, changement d’état à 0°C puis abaissement de la température de nouveau sous 0°C. Dans un premier temps, on s’intéresse au passage des aliments de la température ambiante (23°C) à 0°C.

1. Calculer l’énergie cédée par les aliments pour effectuer cette baisse de température. 2. Par quoi cette énergie est-elle reçue ? Par quel mode de transfert a-t-elle été cédée ? 3. La congélation à 0°C s’accompagne d’une variation de 250 kJ par kilogramme d’aliment. Déterminer

l’énergie échangée pour la congélation à 0°C de ces 5,0 kg d’aliments. Cette énergie est-elle reçue ou cédée par les aliments ?

4. Le passage des aliments de 0°C à 18°C s’effectue grâce à l’évaporateur qui échange 1,8.103 kJ avec 5,0 kg d’aliments.

a. Dans quel sens cet échange a-t-il lieu ? b. Déduire de cette valeur la capacité thermique massique des aliments congelés. c. La puissance thermique utile de l’évaporateur est de 500 W. En déduire la durée nécessaire pour

faire passer 5,0 kg d’aliments de 23°C à 18°C. d. On appelle pouvoir de congélation la masse d’aliments pouvant être congelée en 24 h (passage de

23°C à 18°C ici). Déterminer le pouvoir de congélation du congélateur étudié ici. Troisième problème : Panneaux et chauffe-eau solaires Un chauffe-eau solaire est un système permettant de convertir le rayonnement solaire en énergie transférée à l’eau du chauffe-eau. A cet effet, les panneaux solaires sont installés sur le toit du logement. Le nombre de panneaux à installer dépend de l’ensoleillement et des besoins en eau chaude des habitants. L’énergie reçue et la température de l’eau froide entrant dans le ballon dépendent de la saison.

Janvier Juillet

Energie surfacique moyenne reçue

par jour (kWh.m2)

1,41 5,38

Température de l’eau froide (°C) 9 16

Données

Surface d’un panneau solaire : 2,15 m²

Besoins en eau chaude par jour : 250 L

Température attendue pour l’eau chaude : 55°C

Capacité thermique massique de l’eau : 1 kcal ou Cal = 4,185 kJ.kg1.K1

1. Convertir les énergies surfaciques reçues en kJ.m2. 2. Pour les deux mois considérés,

a. Calculer l’énergie nécessaire pour couvrir les besoins en eau chaude chaque jour. b. Déterminer l’énergie moyenne rayonnée reçue chaque jour par un panneau.

3. Le rendement de cette installation est de 75 %. a. Donner la définition de de rendement. b. En déduire le nombre de panneaux nécessaires en juillet et en janvier.

4. Justifier le fait que les chauffe-eau solaires soient tous équipés d’une résistance de chauffage d’appoint.

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Troisième Partie : Transferts microscopiques

potassium - lithium - strontium - calcium - sodium

Premier problème : éclairage public On utilise les lampes à vapeur de sodium pour éclairer des tunnels routiers. Ces lampes contiennent de la vapeur de sodium atomique à très faible pression excitée par un faisceau d’électrons qui traverse le tube. Analysée par un spectroscope à prisme, la lumière jaunâtre de cette lampe révèle des raies de longueur d’onde bien définie.

1. Comment fonctionne un spectroscope à prisme ? 2. S’agit-il ici d’une lumière mono- ou polychromatique ? 3. Associer les raies aux domaines spectraux des radiations

électromagnétiques correspondantes. D’après vous, comment expliquer la couleur de la flamme du sodium ?

4. Quelle est la valeur de la fréquence du rayonnement associé

à la raie de longueur d’onde = 589,0 nm ? 5. On donne ci-contre un diagramme simplifié des niveaux

d’énergie de l’atome de sodium. 6. Indiquer l’état fondamental. 7. En quoi ce diagramme permet-il de justifier la discontinuité

du spectre d’émission d’une lampe à vapeur de sodium ? 8. A quelle transition la raie à 589,0 nm peut-elle

correspondre ? 9. Que se passe-t-il si l’atome est excité avec un rayonnement

électromagnétique de longueur d’onde = 200 nm ? Donnée : l’électron-volt est l’énergie acquise par un électron accéléré sous une différence de potentiel de 1 V, soit 1

eV = 1,602.1019 J. La constante de Planck vaut h = 6,626.1034 J.s.

Deuxième problème : quantification à toute échelle L’énergie des atomes est quantifiée : c’est ce que montrent les spectres de raies d’émission et d’absorption des lampes spectrales à basse pression, où les atomes sont (relativement) indépendants les uns des autres. Cette quantification se retrouve également lorsque les atomes sont en interaction, à plus forte pression par exemple, ou encore lorsqu’ils sont associés au sein de molécules. Dans ces cas, les diagrammes énergétiques présentent des niveaux élargis ou bandes d’énergie, comme nous l’avons vu en analyse spectrale UV-visible-IR.

Chaque élément chimique brûle en créant une flamme de couleur caractéristique : c’est ce qui est mis à profit dans les bombes des feux d’artifice, en pyrotechnie. Comment expliquer la couleur de ces flammes ?

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Compléter le tableau suivant.

gamme d’énergie

(kJ.mol1)

gamme de fréquence (Hz)

gamme de longueur d’onde

domaine

transitions électroniques

150 2400

transitions vibrationnelles

5 150

transitions rotationnelles

1,2 5

Troisième problème : effet laser En 1960, Théodore MAIMAN (1927-1960) met au point le premier laser, un laser à rubis (oxyde d’aluminium contenant des ions chrome Cr3+). Son principe de fonctionnement peut être illustré à l’aide d’un diagramme énergétique à trois niveaux. Par pompage optique (lumière polarisée), la majorité des ions Cr3+ initialement à l’état fondamental E1 sont excités vers le niveau d’énergie E3. Une transition rapide vers le niveau de moindre énergie E2 a alors lieu spontanément. Les ions Cr3+ s’accumulent dans cet état énergétique ; c’est un photon qui stimule la transition de cet état excité vers l’état fondamental, 1,79 eV plus bas. Le photon stimulant et le photon émis ont même fréquence, mêmes directions et sens, et même phase : ils sont cohérents.

1. Représenter le diagramme énergétique des ions Cr3+ et y faire apparaître les transitions citées dans le texte. 2. Pourquoi parle-t-on d’inversion de population ? Compléter le diagramme de manière à illustrer ce

comportement des ions chrome que l’on pourra représenter par de petites sphères. 3. Quelle est la longueur d’onde dans le vide des photons émis par le laser à rubis ? Dans quel domaine du

spectre électromagnétique se situe la radiation associée ? 4. Un laser de ce type, de puissance 20 kW, émet des impulsions brèves de durée Δt = 0,5 ms. Calculer

l’énergie Ee émise lors de l’impulsion. On dispose d’un laser hélium-néon de longueur d’onde 611,9 nm et de puissance lumineuse 0,5 mW. Au départ, le diamètre du faisceau est de 0,47 mm puis le faisceau diverge d’un angle de 1,70 mrad.

5. A quel phénomène est due la divergence du faisceau ? 6. Estimer le diamètre du faisceau à une distance de 5 m.

7. En déduire l’intensité lumineuse du faisceau, en W.m2, à une distance de 5 m. 8. Calculer l’intensité lumineuse d’une ampoule électrique à filament de 100 W à une distance de 5 m. On

indique que le rendement lumineux d’une ampoule est de l’ordre de 5 %. 9. Combien faudrait-il d’ampoules pour avoir la même intensité lumineuse que le laser ? 10. Pourquoi un laser de 0,5 mW est-il dangereux pour les yeux alors qu’une ampoule de 100 W ne l’est pas ?

Théodore MAIMAN (1927-2007) Première émission laser (1960)

Alfred KASTLER (1902-1984)

Découverte du pompage optique (1950) Albert EINSTEIN (1879-1955)

Découverte de l’émission stimulée (1917)

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Correction de la 1ère étape :

1. Trois techniques sont adoptées dans la microscopie moderne : la détection des signaux émis par l’objet, l’utilisation d’un signal-sonde et l’établissement d’un pseudo-contact.

2. Les microscopes optique et électronique utilisent un signal-sonde afin de former une image.

3. Parmi les microscopes électroniques présentés :

- Le microscope à balayage (SEM) est un outil d’une extrême souplesse, qui permet notamment de voir les structures en volume ;

- Le microscope à transmission (TEM) envoie des électrons sur l’échantillon analysé ; détecteurs et lentilles convergentes servent ensuite à reconstituer l’image.

4. Le microscope à effet tunnel (STM) permet d’« agir sur la matière » car il offre la possibilité de changer la position d’un atome ou d’extraire un atome.

5. La mise en mouvement de certains atomes au sein de molécules, grâce au microscope à effet tunnel, revient à « fabriquer » de véritable nano-moteurs !

6. Le microscope à effet tunnel ne permet d’étudier que des surfaces conductrices ; il est en effet nécessaire qu’un courant électrique puisse se propager entre la pointe métallique et l’échantillon.

7. L’élément le plus important du microscope à force atomique (AFM) est la sonde car la dimension et la forme de son extrémité déterminent la résolution.

8. La grandeur physique mesurée par un microscope à force atomique est un signal électrique (tension ou résistance), lui-même proportionnel à force mise en jeu.

9. Le microscope à force atomique fournit une information de surface, c'est-à-dire à 2 dimensions.

10. Les microscopes à effet tunnel et à force atomique possèdent tous les deux une sonde locale. En revanche, le premier détecte des signaux émis par l’objet étudié ; alors que le second établit une force d’interaction avec l’objet étudié.

11. Dans le microscope holographique, le phénomène ondulatoire utilisé est l’interférence.

12. En plus de l’observation des colonnes d’atomes, les propriétés électriques et magnétiques de la matière sont directement visualisables grâce au microscope holographique.

Correction de la 2ème étape :

1. Associations :

Microscopie ↔ Longueur d’onde

Optique ↔ 0,5 µm

À rayons X ↔ 3 nm

Electronique ↔ 1 pm

Acoustique ↔ 2 µm

Classement par performance croissante : microscope acoustique < microscope optique < microscope à rayon X < microscope électronique.

2. L’intérêt d’utiliser un microscope électronique associant balayage et transmission est d’obtenir un bon compromis entre qualité de la vision en volume et haute résolution de l’image.

3. La résolution du MET JEOL est inférieure à 0,17 nm ; soit inférieure à 170 pm. Or, un atome de germanium à pour diamètre 245 pm. La taille de cet atome étant supérieure à la résolution du microscope, il est donc possible de le discerner dans une structure cristalline quelconque.

4. La pointe d’un AFM doit être extrêmement proche de la surface du matériau à étudier car les forces mises en jeu sont de très faible portée : il s’agit des interactions de Van Der Waals.

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5. L’amplitude donne une information d’ordre spatial, alors que la phase donne une information d’ordre temporel. La phrase du texte signifie donc que le microscope holographique délivre simultanément des renseignements spatio-temporels sur la représentation de l’état quantique de l’électron (dans la base de dimension infinie des positions).

6. L’intérêt d’utiliser un biprisme dans le microscope holographique est qu’il permet de faire interférer la partie du faisceau incident qui passe à côté de l’objet avec la partie du faisceau qui traverse l’objet.

Correction de la 3ème étape :

L’étude à conduire doit être effectuée à l’échelle atomique, à la surface de matériaux métalliques qui sont des objets conducteurs.

L’échelle élimine l’utilisation du microscope optique et du microscope électronique à balayage.

L’étude en surface élimine l’utilisation du microscope à transmission et du microscope holographique.

Les échantillons étant conducteurs, il est possible d’utiliser la microscopie à sonde locale : microscope à effet tunnel ou microscope à force atomique !!