SP3 - Aspect corpusculaire de la lumière Dualité onde
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Lycée Jean Perrin - Classe de TSI 1 - E. VAN BRACKEL TD de Physique-Chimie TD 3 SP3 - Aspect corpusculaire de la lumière Dualité onde-corpuscule pour la matière Photon et énergie 1 3 Microscopie électronique Effet photoélectrique Dans un microscope électronique, des électrons sont accélérés grâce à une forte tension Si on réalise l’expérience mettant en évidence l’effet photoélectrique avec pour métal le électrique de l’ordre de 50 kV, ce qui leur procure une énergie cinétique de 50 keV. zinc, on observe une énergie seuil de 3, 3 eV 1 2 1. Quelle est la fréquence associée à cette radiation ? 1. Sachant que et que l’énergie cinétique s’écrit Ec = mv , calculer la vitesse d’un 2 2. En déduire la longueur d’onde et la couleur de cette radiation. électron, puis son impulsion 2. Quelle est sa longueur d’onde associée ? 4 3. En déduire l’avantage majeur du microscope électronique par rapport au microscope optique. Le processus d’impression d’une pellicule photographique est basé sur la dissociation des molécules de bromure d’argent (AgBr) qui entrent dans sa composition chimique. Sachant que l’énergie nécessaire pour réaliser cette dissociation est de 0, 6 eV, trouver la longueur d’onde à partir de laquelle la lumière ne peut plus impressionner une pellicule. Dans quel domaine du spectre des ondes électromagnétiques cette longueur d’onde se trouve-t-elle ? Données : 1 eV = 1, 6 · 10−19 J ; la masse de l’électron vaut me = 9, 1 · 10−31 kg 2 Développement photographique Interférences avec des fullérènes 5 Rayonnement lumineux Au niveau du sol, on estime que la puissance du Soleil reçue par la Terre est de 500 W/m2 . 1. Quelle sera la puissance reçue par un œil s’il regarde le Soleil pendant 1s au travers d’un filtre ne laissant passer que 10−3 % de l’énergie. La pupille a un diamètre D ' 2 mm 2. Estimer alors l’ordre de grandeur du nombre de photons reçus. 3. On perçoit au niveau de la Terre une puissance de l’ordre de 10−14 W/m2 en provenance d’une étoile lointaine. Combien l’œil reçoit-il de photons par seconde en provenance de cette étoile ? Applications courantes Dans les années 2000, une expérience d’interférences à l’aide de molécules de fullérènes C60 (de taille d ∼ 1000 pm a été réalisée avec succès. Ces molécules sont envoyées sur deux 6 Rendement d’un panneau photovoltaïque fentes de largeur 55 nm et espacées de d = 100 nm avec une vitesse d’environ 200 m.s−1 . l’observation est faite à une distance L = 1, 25 m. Un panneau solaire photovoltaïque de 1 m2 coûte environ 825 euros pour une puissance moyenne de 100 W. Une année donne environ 900h d’équivalent ensoleillement plein, ce 1. Déterminer la longueur d’onde associée aux molécules de fullérènes. qui correspond à un ensoleillement de 1 kW · m−2 . EDF facture l ?électricité en moyenne 2. Que dire par rapport à la taille de la fente ? 0.073 euros/kWh, mais la rachète à un particulier autour de 0.50 euros/kWh. λL , la 3. Sachant que la distance entre deux pics d’interférences est de l’ordre de 1. Quel est le rendement de ce panneau solaire ? A quoi est dû, selon vous, ce rended mesure vous semble-t-elle correcte ? ment ? 1 TD 3. SP3 - ASPECT CORPUSCULAIRE DE LA LUMIÈRE 2. Quelle est la puissance et le coût d’une installation typique de 20 m2 (qui permet à de population" (cela correspond au fait que, pour les niveaux d’énergies de la transition une famille énergétiquement très sobre de couvrir ses besoins hors chauffage). laser, le niveau excité est plus peuplé que le niveau fondamental). L’un des systèmes les 3. Calculer l’énergie produite au cours d’une année par cette installation (à comparer plus simples permettant l’inversion, illustré par exemple avec le laser à rubis, est constià la consommation moyenne d’une famille de 3100 kWh). On l’exprimera en kWh et tué de trois niveaux, tels que représenté ci-dessous. L’émission laser s’effectue alors après une étape dite de pompage (soit optique, soit électronique) d’un niveau excité, suivi d’une en Joules. désexcitation rapide n’émettant pas de photons, et enfin d’une désexcitation par émission 4. Calculer le temps nécessaire pour rentabiliser l’installation en comptant uniquement de photons, qui correspond à la transition laser. sur l’économie réalisée 7 Caractérisation d’une DEL Ci-dessus correspond un extrait de catalogue concernant une lampe à base de DEL. 1. Après avoir rappelé succinctement les différentes notions, donner les caractéristiques de la DEL vendue : température de couleur, IRC, efficacité lumineuse (sachant que cette lampe génère 600 lumens). 1. Rappeler les propriétés fondamentales d’un laser (d’un point de vue spectral, en terme de puissance,..). 2. Rappeler le principe de fonctionnement d’une DEL. 2. Identifier les niveaux d’énergie correspondant à des états excités du système. 3. Comment obtenir une DEL blanche ? Sachant qu’elle émet principalement dans le bleu et le jaune, dessiner l’allure du spectre d’émission de cette source. 8 3. D’après le principe de fonctionnement précédent, attribuer pour chaque couple de niveau la transition associée. On précise que le niveau du pompage correspond à la longueur d’onde la plus petite. Principe d’un laser à trois niveaux Sans entrer dans des développements théoriques, il est impossible d’avoir un laser à partir d’une DEL, système possédant deux niveaux d’énergie, car on ne peut obtenir d’ "inversion 4. Sachant que la différence d’énergie entre les niveaux 1 et 2 vaut E2 − E1 = 1, 788 eV, quelle est la longueur d’onde associée ? Quelle est la couleur associée ? 2 E. VAN BRACKEL
