TS-P06 Cours - Physique
publicité
TS www.pichegru.net 29 mars 2017 P6 : Mécanique quantique Plan du chapitre D Duuaalliittéé oon nddee--ppaarrttiiccuullee Présentation historique Transferts quantiques d’énergie Rappels de 1ère S Rayonnement EM et types de transition Dualité onde-particule Quantité de mouvement et longueur d’onde associée Onde de matière Encore plus étrange Aspect probabiliste de la mécanique quantique Les lasers Émission stimulée Éléments du laser Caractéristiques de la lumière émise Extraire et exploiter des informations sur les ondes de matière et sur la dualité onde-particule. Savoir que la lumière présente des aspects ondulatoire et particulaire Connaître la relation p = h/λ Identifier des situations physiques où le caractère ondulatoire de la matière est significatif. Toutes les particules, massives (électron, nucléon, muons) ou non (photons, neutrino ?) possèdent à la fois des propriétés corpusculaires et des propriétés ondulatoires. Quantité de mouvement et longueur d’onde associée Présentation historique Toutes les particules possèdent une quantité de mouvement : Petite histoire de la mécanique quantique • p = mv (matière non-relativiste) • p = E/c (photon) TTrraan nssffeerrttss qquuaan nttiiqquueess dd’’één neerrggiiee • p = h / λ (pour les 2) Onde de matière Associer un domaine spectral à la nature de la transition mise en jeu. Les ondes de matière associées aux particules microscopiques présentent les mêmes phénomènes ondulatoires (interférence, diffraction, etc) que les ondes électromagnétique. L’énergie d’une entité microscopique (atomes, ions, molécules, noyaux, électrons, etc.) ne peut pas prendre n’importe quelle valeur. Elle est quantifié. ère Rappels de 1 Une onde de matière pour interférer ou diffracte si elle rencontre un obstacle de taille a tel que a ~ λ. Dans certaines conditions, des e– peuvent interférer entre eux !! S Quantification d’énergie de l’électron Encore plus étrange L’électron d’un atome ne peut absorber un photon uniquement si l’énergie de celui-ci correspond exactement à la différence entre deux niveaux d’énergie possible de l’électron. Il passe alors d’un niveau d’énergie bas à un niveau d’énergie plus élevé. Il est possible de faire interférer des photons ou des électrons lorsqu’on les fait passer par une double fente, même s’ils passent un à un !!! Plus fou encore : si, grâce à ses appareils de mesure, on cherche à savoir par laquelle des deux fentes est passé l’électron, celui-ci recommence à se comporter comme une particule et le motif d’interférence disparaît ! L’observation d’une particule a des effets sur son comportement ! De même, lors de sa désexcitation (passage d’un niveau d’énergie vers un niveau d’énergie moindre), l’électron émet un photon dont l’énergie correspond exactement à la différence d’énergie entre les deux niveaux. Photon et fréquence du rayonnement EM Dr Quantum and the double slit experiment L’énergie d’un photon associé à un rayonnement de fréquence ν est : E = h ·ν A Assppeecctt pprroobbaabbiilliissttee ddee llaa m mééccaan niiqquuee qquuaan nttiiqquuee h est la constante de Planck : 6,63·10-34 m2·kg·s-1 Rayonnement EM et types de transition Transition entre deux états d’énergie électroniques : rayonnement UV ou visible (ou rayons X pour les e– « de cœur », proche du noyau) Extraire et exploiter des informations sur les phénomènes quantiques pour mettre en évidence leur aspect probabiliste. Transition entre deux états d’énergie vibrationnel (oscillation des liaisons) : rayonnement IR. En mécanique quantique, pas de déterminisme, mais une probabilité d’avoir certains comportements. Transition entre deux états énergétiques du noyau : rayonnement γ Par exemple : On ne sait pas quand un atome va se désexciter, seulement la probabilité qu’il a de se désexciter pendant une durée donnée. Idem pour la désexcitation d’un noyau radioactif. Einstein refusait cela et aurait dit : « Dieu ne joue pas aux dés ». Ironie de l’histoire, car c’est lui qui a posé une des pierres angulaires de la physique quantique... Bonus : Le principe d’Heisenberg expliqué simplement. What is the Uncertainty Principle? -1- TS www.pichegru.net LLeess llaasseerrss Connaître le principe de l’émission stimulée et les principales propriétés du laser (directivité, monochromaticité, concentration spatiale et temporelle de l’énergie). Émission stimulée Émission d’un photon par une entité excitée (= pas à son énergie fondamentale ou minimale) provoquée par un photon de même énergie que celui émis. Le photon émis est « jumeau » de celui qui a provoqué la désexcitation. Énergie de l’atome Ehaut Photon ∆E = hν Photon jumeau ∆E = hν Ebas Éléments du laser • Milieu actif (ou amplificateur) : où se produit l’émission stimulée par les entités excités. Pour les lasers du lycée, il s’agit d’un mélange He-Ne. • Dispositif de pompage : donne l’énergie nécessaire au milieu actif pour faire passer les entités émettrices dans un état excité. • Cavité résonnante : disposant d’un miroir à chaque extrémité pour créer des allers-retours de photons afin d’entretenir les émissions stimulées. dispositif de pompage qui fournit de l’énergie miroir semi-réflechissant miroir milieu amplificateur faisceau laser Caractéristiques de la lumière émise Cette lumière est dite « cohérente » à cause des caractéristiques suivantes : • Monochromaticité : tous les photons ont la même énergie. • Cohérence spatiale : tous les photons vont dans la même direction, le faisceau est donc très concentré. • Cohérence temporelle : toutes les vibrations associées à chaque photon sont en phase. De plus, l’impulsion lumineuse peut être rendue extrêmement brève (concentration dans le temps). Toutes ces caractéristiques font que le rayonnement laser assure une grande concentration de l’énergie lumineuse, dans l’espace (directivité), dans le spectre (monochromaticité) et dans le temps (impulsion). C’est pas sorcier : les lasers -2- 29 mars 2017
