Transfert quantique et dualité onde corpuscule - leprof

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Chap. B10
Transfert quantique et dualité onde corpuscule
I. Transfert quantique d’énergie
1- Absorption et émission spontanée
La matière peut absorber ou émettre des rayonnements électromagnétiques. L’absorption d’un photon
se produit quand un atome passe d’un état initial d’énergie E1 vers un état d’énergie E2 supérieure.
Lorsque l’atome se désexcite, il passe d’un état excité d’énergie E2 vers un état d’énergie inférieur, qui
s’accompagne de l’émission spontanée d’un photon d’énergie E = E2-E1
La relation de Planck-Einstein donne la fréquence de la radiation associée à ce photon telle que E = h 
E en J,  en Hz et h la constante de Planck : h = 6,63.10-34 J.s
L’énergie est quantifiée et le photon est émis dans une direction aléatoire.
2- Emission stimulée
Une entité chimique excitée peut interagir avec un photon d’énergie E = Ehaut-Ebas et retrouver une
énergie E1 plus stable en émettant un photon jumeaux du premier, de même énergie, qui n’est pas
absorbé. C’est ce qu’on appelle l’émission stimulée, et le photon jumeau est émis dans la même
direction que le photon incident.
II. Application au laser
1- Principe de fonctionnement
Le terme laser était avant de passer dans le langage courant une abréviation pour « Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation ».
Donc le laser émet des photons par émission stimulée, comme une réaction en chaîne, on obtient un
grand nombre de photons jumeaux, c’est l’amplification laser.
Si les particules se trouvant dans la cavité laser sont dans un état de basse énergie, elles vont absorber
les photons qui ne pourront plus créer l’émission stimulée, il faut donc maintenir plus de particules
dans un état excité que dans l’état fondamental, c’est l’inversion de population qui est obtenue en
fournissant de l’énergie aux particules par pompage optique.
La cavité laser est délimitée par deux miroirs, un réfléchissant et un semi réfléchissant vers la sortie.
Ainsi seuls les photons se déplaçant perpendiculairement aux deux miroirs peuvent sortir de la cavité,
et la multiplication des aller retours permet d’augmenter le nombre de photons identiques produits,
cette cavité constitue donc un oscillateur optique entretenu.
Après plusieurs passages
2- Propriétés
Le laser produit une lumière qui se propage dans une seule direction, elle est directive ; elle est
monochromatique (une longueur d’onde identifiée dans le spectre) ; il peut concentrer l’énergie dans le
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temps en fournissant son énergie de façon pulsée, plutôt que continue (plus l’impulsion est brève, plus
l’énergie est importante.
III. Transitions d’énergie
Les atomes gagnent ou cèdent de l’énergie en faisant passer un électron d’un
niveau d’énergie vers un autre, cette transition électronique s’accompagne de
l’émission ou l’absorption de photons dans le domaine du visible et de
l’ultraviolet (comme le laser He-Ne qui produit une lumière rouge de
longueur d’onde 632 nm)
Mais les molécules ont aussi la possibilité d’emmagasiner de l’énergie sous
forme vibratoire, en passant d’une configuration vibratoire à une autre. Moins
énergétique cette transition permet l’émission ou l’absorption dans
l’infrarouge, comme les lasers à CO2 par exemple.
IV. Dualité onde corpuscule
1- Photon et onde lumineuse
Les phénomènes d’interférences et de diffraction de la lumière s’expliquent par une conception
ondulatoire de la lumière.
Mais certains phénomènes comme l’effet photoélectrique ou l’effet
Compton ne s’explique que par l’existence d’une particule transportant un
quantum d’énergie, le photon proposé par Einstein au début de XXième
siècle.
Après collision avec un électron, un photon voit son énergie modifiée, c’est
l’effet Compton (1917)
La lumière se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme une particule, suivant les conditions de
l’expérience et de l’observation, ce double comportement porte le nom de dualité onde corpuscule.
2- Particule et onde de matière
En 1923 Louis De Broglie postule l’extension de la dualité onde particule aux objets microscopiques
de la matière (électrons, protons,…). La relation de De Broglie associe à chaque particule en
h
mouvement une onde de matière de longueur d’onde  telle que p =

-1
p est la quantité de mouvement de la particule en kg.m.s ,
 en m et h la constante de Planck : h = 6,63.10-34 J.s.
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3- Aspect probabiliste de la physique quantique
La diffraction d’électrons, ainsi que la figure d’interférence au cours du temps électron par électron
montre le caractère ondulatoires de ces particules, mais il faut que la dimension a de l’obstacle ou de
l’ouverture soit de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde de matière . Ce comportement est utilisé
dans les microscopes électroniques.
On éclaire des fentes d'Young avec une source lumineuse.
Un écran placé derrière les fentes repère l'impact des
photons. Quand on diminue suffisamment l'intensité de la
lumière, les photons arrivent un par un sur les fentes. En
raison de cette discontinuité, on parle de phénomène
quantique.
On ne peut pas prévoir le lieu d'impact des photons sur
l'écran, mais on peut établir la probabilité de les observer à un endroit précis. Pour un très grand
nombre d'impacts, cette probabilité est maximale à certains endroits et minimale à d'autres. L'aspect
probabiliste du phénomène est ainsi mis en évidence.
Le comportement microscopique qui est probabiliste ne peut être déterminé de façon précise, ainsi on
ne peut déterminer la trajectoire d’une particule au comportement ondulatoire
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