Chapitre 16 : Introduction à la physique quantique
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Chapitre 16 : Introduction à la physique quantique CHAPITRE 16 : INTRODUCTION A LA PHYSIQUE QUANTIQUE I) TRANSFERTS QUANTIQUES D’ENERGIE (rappels et compléments) I-1) Quantification des énergies d’un atome Les niveaux d’énergie d’un atome sont quantifiés Ils ne peuvent prendre que des valeurs bien déterminées, caractéristiques de l’atome. Diagramme des niveaux d’énergie d’un atome Energie Atome ionisé 0 E4 E3 E2 E 1 On appelle transition quantique le passage de l’atome d’un niveau d’énergie à un autre (il est représenté sur le diagramme par un segment fléché) I-2) Absorption et émission spontanée I-2-1) Absorption d’un photon Un atome initialement au niveau fondamental d’énergie E1 peut passer au niveau d’énergie E2 supérieur en absorbant un et un seul photon d’énergie E = h.telle que E = E2 – E1 (ou h. = E2 –E1) h est la constante de Planck : h = 6,63 x 10-34 J.s et la fréquence (en Hz) de la radiation monochromatique associée au photon. N.B. c vide Absorption d'un photon Page 1 sur 7 Chapitre 16 : Introduction à la physique quantique I-2-2) Emission spontanée d’un photon L’atome au niveau excité d’énergie E2 peut spontanément revenir au niveau fondamental d’énergie E 1 en émettant un photon d’énergie E = h. = E2 – E1. C’est l’émission spontanée. Le photon est émis dans une direction quelconque avec un déphasage aléatoire. Emission spontanée d’un photon II) LA LUMIERE LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) II-1) Emission stimulée En 1917, Albert Einstein évoque l’idée qu’un photon d’énergie choisie peut amener une particule vers un état d’énergie plus stable. Dans ce cas, la particule va produire un photon « jumeau » du photon incident. Lorsqu’un photon incident d’énergie E = h. = E2 – E1 interagit avec un atome se trouvant dans un état excité d’énergie E2, ce photon n’est pas absorbé, il induit la désexcitation de l’atome qui retrouve sont état d’énergie fondamental E1 en émettant un photon identique au photon incident (même fréquence, même direction et sens et déphasage nul). L’émission stimulée a pour effet d’amplifier l’onde lumineuse incidente. Emission stimulée Energie E 2 E1 II-2) Principe de fonctionnement du Laser Contrairement aux autres sources de lumière qui utilisent l’émission spontanée, la lumière du laser est produite par émission stimulée. Réaliser un laser consiste donc à favoriser l’émission stimulée au détriment de l’émission spontanée (l’émission stimulée est un phénomène très peu probable par rapport à l’émission spontanée) Page 2 sur 7 Chapitre 16 : Introduction à la physique quantique II-2-1) Pompage optique Pour favoriser l’émission stimulée par rapport à l’émission spontanée et donc pour qu’il y ait amplification de l’onde lumineuse il faut qu’il y ait beaucoup plus d’atomes dans un état excité que dans l’état fondamental. Il faut pour cela réaliser une inversion de population. Cette opération peut être effectuée par pompage : un excitateur, une décharge électrique ou un faisceau lumineux (on parle alors de pompage optique), excite les atomes qui passent du niveau fondamental E1 à un niveau excité E3, légèrement supérieur à E2. Les atomes du niveau E3 peuplent le niveau E2 en se désexcitant très rapidement ce qui réalise l’inversion. Opération de pompage Energie E E 3 2 E1 II-2-2) Amplification de la lumière Voir paragraphe 2.4 page 384 Dans l’oscillateur laser, limité par deux miroirs, les émissions stimulées successives font augmenter le nombre de photons qui ont même fréquence, même direction et sens de propagation et qui sont en phase. C’est l’amplification par effet laser. Page 3 sur 7 Chapitre 16 : Introduction à la physique quantique II-3) Caractéristiques de la lumière laser II-3-1) Monochromaticité Tous les photons émis par le laser ont même fréquence La lumière produite par un laser est donc monochromatique. II-3-2) Concentration spatiale et temporelle Contrairement aux sources de lumière classiques, la lumière laser se propage dans une direction privilégiée : elle est directive. La concentration spatiale de l’énergie de la lumière laser est une conséquence directe de sa directivité : l’ensemble de l’énergie produite est dirigée selon une seule direction. Le laser peut fournir son énergie de façon continue ou de façon pulsée (émission de brèves impulsions). Dans ce dernier cas, plus l’impulsion est brève, plus le laser délivre une puissance importante : c’est la concentration temporelle de l’énergie N.B. La concentration de l´énergie (1 MW pendant 10 ns et jusqu'à100 TW pendant 10 fs) de la lumière laser est utilisée : - dans la recherche : essai de fusion nucléaire ; - dans l’industrie : soudure, découpe, usinage des métaux ; - en médecine : « bistouri » optique en microchirurgie. III) TRANSITIONS D’ENERGIE III-1) Transitions d’énergie électroniques Lorsqu’un atome gagne ou cède de l’énergie (respectivement par absorption ou émission d’un photon) cet atome passe d’un niveau d’énergie à un autre (transitions quantiques évoquées au paragraphe I). Cela correspond en fait à la transition d’un électron de cet atome d’un niveau d’énergie vers un autre : c’est une transition d’énergie électronique (qui, en étant schématique, s’accompagne pour cet électron d’un changement de couche électronique). Lors d’une transition d’énergie électronique (ordre de grandeur de 1 eV = 1,6 x 10 -19J), les atomes émettent ou absorbent des photons dans le domaine visible ou UV. III-2) Transitions d’énergie vibratoires Les molécules possèdent différentes énergies, toutes quantifiées. Parmi ces énergies on peut distinguer : - l’énergie électronique liée à la répartition des électrons ; l’énergie vibratoire : énergie de vibration des atomes dans la molécule. Lors d’une transition d’énergie vibratoire (ordre de grandeur de 0,1 eV = 1,6 x 10-20 J) moins énergétique qu’une transition électronique les molécules émettent ou absorbent des photons dans le domaine de l’infrarouge. N.B. Ces transitions sont utilisées en analyse spectrale IR (le très grand nombre de transitions possibles fait que l’on observe des bandes d’absorption plutôt que des raies d’absorption). Page 4 sur 7 Chapitre 16 : Introduction à la physique quantique IV) DUALITE ONDE-PARTICULE IV-1) Photon et onde lumineuse IV-1-1) Historique : la lumière onde ou particule ? Comportement particulaire de la lumière Pour Isaac Newton (1643-1727) la lumière est composée de petites particules massiques et rapides. C’est une conception particulaire de la lumière .Elle ne permet pas d’expliquer les phénomènes d’interférence ou de diffraction. Comportement ondulatoire de la lumière Au début du XXème siècle la nature ondulatoire de la lumière est presque unanimement admise. Il est solidement établi (Maxwell 1831-1879) qu’il s’agit ‘un cas particulier d’onde électromagnétique. Le comportement ondulatoire de la lumière permet d’expliquer les phénomènes de diffraction et d’interférence. En 1887 L’allemand Heinrich Hertz (1857-1894) met en évidence l’effet photoélectrique : lorsqu’un métal est éclairé par un rayonnement UV des électrons sont arraché de sa surface. L’effet photoélectrique ne peut s’expliquer par le caractère ondulatoire de la lumière. En 1905, afin d’expliquer l’effet photoélectrique, Albert Einstein (1879-1955) postule qu’un rayonnement électromagnétique est constitué de particules transportant des quanta d’énergie. Ces particules seront par la suite appelées photons. C’est le retour de la conception particulaire. En 1921 Albert Einstein reçoit le prix Nobel pour ses travaux sur l’effet photoélectrique. Temps IV-1-2) La conception actuelle : dualité onde particule de la lumière Louis de Broglie 1892-1987 Les concepts corpusculaires ou ondulatoires de la lumière pris isolément sont insuffisants pour décrire dans son ensemble la nature de la lumière. La lumière et plus généralement les ondes électromagnétiques sont décrites comme des flux de photon. Un photon se comporte soit comme une onde soit comme une particule, suivant le contexte expérimental considéré : c’est la dualité onde-particule. Un photon n’est ni une particule ni une onde c’est un objet quantique. Page 5 sur 7 Chapitre 16 : Introduction à la physique quantique Un photon n’est pas chargé, sa masse est nulle. Il se déplace à la vitesse de la lumière. L’énergie d’un photon est E =h. avec E en J; h= 6,63 . 10-34 j.s est la constante de Planck et la fréquence de l'onde en Hz (voir cours de 1ºS). IV-2) Particule de matière et onde de matière IV-2-1) Relation de de Broglie Dans sa thèse publiée en 1924, Louis de Broglie propose de généraliser la dualité onde-particule à toute particule matérielle (électrons proton, neutrons,…). A toute particule en mouvement est associée une onde de matière de longueur d’onde , liée à la quantité de mouvement p de la particule par la relation de de Broglie : p h Avec : h constante de Planck (h =6,63 x10-34 J.s) p, quantité de mouvement en kg.m.s-1, , longueur d’onde de matière en m. N.B. Si la vitesse v de la particule de masse m est telle que v<<c alors p = m.v En 1929 L.de Broglie reçoit le prix Nobel pour sa découverte de la nature ondulatoire des électrons. IV-2-2) Vérifications expérimentales Expériences montrant le caractère ondulatoire de particules matérielles : -1927 (trois ans après la publication de la thèse de de Broglie) : diffraction d’un faisceau d’électrons par Davisson et Germer ; - 1946 : diffraction des neutrons par Ernst O. Woller ; - 1992 : interférences entre atomes de néon froids (équipe japonaise de l’Université de Tokyo) ; -1999 : interférences entre molécules de fullerènes (équipe de l’Université de Vienne). Les ondes de matière sont aujourd’hui utilisées afin de sonder la matière à l’échelle des atomes ou des molécules (exemple de la microscopie électronique) IV-2-3) Condition d’observation du caractère ondulatoire Si p h alors h . Pour que le phénomène d’interférence ou de diffraction se manifeste il faut que la p dimension a de l’obstacle ou de l’ouverture soit du même ordre de grandeur que la longueur d’onde Or la valeur de la constante de Planck h est très petite donc si la quantité de mouvement c'est-à-dire la masse de la particule et/ou sa vitesse n’est pas assez faible il n’existera aucun obstacle de taille suffisamment faible pour pouvoir visualiser le phénomène d’interférence ou de diffraction. C’est pour cela que l’on observe ces phénomènes uniquement avec des particules microscopiques. Page 6 sur 7 Chapitre 16 : Introduction à la physique quantique IV-3) Caractère probabiliste des phénomènes quantiques IV-3-1) Interférences photon par photon, particule de matière par particule de matière Visualisation de la vidéo : « Dr Quantum_ Expérience des fentes de Young.mp4 » A faire à la maison : activité 2 page 377 IV-3-2) Aspect probabiliste Dans une expérience d’interférence, on ne peut pas prévoir la position de l’impact d’un objet quantique (photon, électron,…) sur l’écran. Mais lorsque leur nombre est important, ils respectent une loi de probabilité et forment le motif caractéristique des franges d’interférences. Les franges s’interprètent comme une alternance de zones où un l’objet quantique (photon, électron,…) a une probabilité de présence minimale (zones sombres du doc. ci-dessous) ou maximale (zones claires du doc. ci-dessous). Formation progressive des franges d’interférence à l’aide d’un dispositif interférentiel où les électrons sont envoyés un par un (N est le nombre d’électrons envoyés ayant traversé les fentes) Les prévisions sur le comportement d’un objet quantique ne peuvent être que du type probabiliste. Page 7 sur 7
