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Leçon n° 21 : TRANSFERTS QUANTIQUES D'ENERGIE DUALITE ONDE-PARTICULE

 

1- DUALITE ONDE-PARTICULE


1-1 Aspect ondulatoire et aspect corpusculaire de la lumière

a) La lumière a un aspect ondulatoire

Pour interpréter les phénomènes de diffraction de la lumière ou les phénomènes d'interférences de la lumière nous avons admis que la lumière avait un comportement ondulatoire (voir la leçon 6).


b) La lumière a un aspect corpusculaire

L'effet photoélectrique s'observe lorsqu'on envoie un faisceau de lumière bien choisi sur une plaque métallique.

Si les rayons lumineux monochromatiques n'ont pas une fréquence suffisante les électrons ne sont pas éjectés même si la puissance du faisceau lumineux est grande.

Si les rayons lumineux monochromatiques ont une fréquence suffisante des électrons sont éjectés même si la puissance du faisceau lumineux est faible.

Le nombre d'électrons éjectés augmente avec la puissance du faisceau lumineux.

En 1905 Einstein explique cela en imaginant que la lumière est composée de grains de masse nulle appelé photon. Un photon a bien une masse nulle mais il possède une énergie :

E = h f avec h = 6,63 x 10 - 34 J.s (constante de Planck)

Cette énergie E = h f est d'autant plus grande que f est grande.

c) La lumière se comporte donc tantôt comme une onde électromagnétique, tantôt comme une particule

On explique ci-dessus les phénomènes de diffraction et d'interférences en considérant que la lumière se comporte comme une onde (aspect ondulatoire).

On explique ci-dessus l'effet photoélectrique en considérant que la lumière se comporte comme des photons, grains de masse nulle et d'énergie E = h f (aspect corpusculaire).


1-2 Aspect corpusculaire et aspect ondulatoire des grains de matière

En 1923 le français Louis de Broglie déclare que le double aspect ondulatoire et corpusculaire de la lumière peut aussi s'appliquer à toute particule matérielle (neutron, proton, électron, etc).

Une particule matérielle de masse m faible peut parfois se comporter comme une onde de longueur d'onde valant :

= h / m v soit = h / pavec p = m v (quantité de mouvement de la particule).

Une expérience d'interférence initialement réalisée avec les ondes de lumière (fentes d'Young ci-dessus et leçon 6) peut également être réalisée avec des particules de matière comme les électrons.

Un faisceau d'électrons peut aussi, comme les photons lumineux, subir le phénomène de diffraction (voir ci-dessus). Davisson et Germer l'ont montré en 1927 en bombardant un cristal de nickel par des électrons lents.


1-3 Aspect probalistique des phénomènes quantiques

Le canon à électrons ci-dessus peut être réglé pour envoyer les électrons quasiment un par un. On parle de phénomène quantique. On ne peut pas prévoir en quel endroit l'électron frappera le détecteur. Néanmoins on peut parler de la probabilité d'impact en tel endroit. Cette probabilité est grande en certains endroits et quasiment nulle en d'autres endroits.

Un phénomène quantique présente donc un aspect probabiliste.

 

2- PRINCIPE DU LASER

 

2-1 Principe de l'émission stimulée

En classe de première S on a vu que l'énergie d'un atome est quantifiée. Elle ne peut prendre que certaines valeurs.

En 1917 Einstein montre que si un photon P1 d'énergie E2 - E1 rencontre un atome se trouvant au niveau excité E2 il oblige cet atome excité à passer au niveau d'énergie E1 en émettant un photon P2 identique au premier photon P1, de même énergie E2 - E1. Cela peut se produire pour de nombreux atomes excités au niveau E2 et s'appelle émission stimulée. Tous ces photons émis ont même énergie hf, même direction et même sens de propagation.

Ce phénomène explique le fonctionnement d'un laser.


2-2 Description sommaire d'un laser

Le laser comprend trois éléments essentiels :

a) Une cavité contenant le milieu actif formé d’atomes ou de molécules.

b) Une source d'énergie qui permet d'exciter (pompage optique) le milieu actif afin de maintenir plus d'atomes ou de molécules dans l'état excité E2 que dans l'état fondamental E1 (inversion de population).

Cette source d'énergie nécessaire au pompage agit par décharge électrique (laser à gaz) ou flash lumineux (laser solide)

c) Deux miroirs parallèles, l'un réfléchissant les ondes lumineuses, l'autre semi-réfléchissant afin que la lumière puisse sortir. La distance L entre le miroir réfléchissant et le miroir semi-réfléchissant est un multiple de la demi-longueur d’onde de la lumière émise :

L = p / 2 (p entier non nul) avec = c T = c / f

Les émissions stimulées successives augmentent le nombre de photons identiques (même fréquence, même direction, même sens, même phase). Ceci constitue l'amplification par effet laser.

Une partie du faisceau produit sort de l'oscillateur par le miroir semi réfléchissant. Il existe des lasers émettant en continu et des lasers émettant par impulsions.


2-3 Utilisation des lasers :

Faisceau directif :

- Alignements et visées pour faciliter les constructions (tunnel sous la Manche).

- Télémétrie (mesure de la distance Terre-Lune).

- Spectacles.

Faisceau monochromatique, cohérent :

- Interférométrie.

- Lecture des CD audio ou vidéo.

- Lecture des codes barres.

- Télécommunications par laser.

- Mesure des vitesses par effet Doppler.

- Refroidissement par laser.

Faisceau puissant ou peu puissant :

- Fusion des matériaux.

- Confinement d’un plasma.

- Chirurgie.

 

3- TRANSITIONS ELECTRONIQUES - TRANSITIONS VIBRATOIRES


Pour un atome on définit des niveaux d'énergie électronique (classe de première).

Pour une molécule on trouve aussi des niveaux d'énergie électronique mais également des niveaux d'énergie vibratoire.


3-1 Niveaux d'énergie électronique d'une molécule.

Une molécule possède des électrons pouvant occuper des niveaux d'énergie quantifiés ne pouvant prendre que certaines valeurs discrètes.

Une transition d'énergie électronique fait intervenir des radiations visibles ou ultraviolettes.


3-2 Niveaux d'énergie vibratoire d'une molécule.

Les atomes d'une molécule peuvent vibrer les uns par rapport aux autres. Ces niveaux d'énergie vibratoire sont également quantifiés.

Une transition d'énergie vibratoire fait intervenir des radiations infrarouge.

 

A VOIR :

Exercice 21-A : Connaissances du cours n° 21.

Exercice 21-B :

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