Cours dualité onde corpuscule

Cours TS « Dualité onde-corpuscule »
Phénomènes lumineux : deux interprétations !
Notions du programme mises en jeu :
-Savoir que la lumière présente des aspects ondulatoire et particulaire.
-Extraire et exploiter des informations sur les ondes de matière et sur la dualité onde-particule.
- Connaitre et utiliser la relation p=h/λ.
-Identifier des situations où le caractère ondulatoire de la matière est significatif.
-Extraire et exploiter des informations sur les phénomènes quantiques pour mettre en évidence leur aspect
probabiliste.
Document n°1: Source: http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=8014
En physique (La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la nature. Son champ
d'application actuel est néanmoins plus restreint : la physique décrit de façon à la...), la dualité onde-particule ou
dualité onde-corpuscule est un principe selon lequel tous les objets de notre univers présentent simultanément
des propriétés d'ondes et de particules. Ce concept fait partie des fondements de la mécanique quantique.
Cette dualité tente de rendre compte de l'inadéquation des concepts conventionnels de " particules " ou d’
« ondes ", pris isolément, à décrire le comportement des objets quantiques. L'idée de la dualité prends ses racine
dans un débat remontant aussi loin que le XVIIe siècle siècle, quand s'affrontaient les théories concurrentes de
Christiaan Huygens qui considérait que la lumièreétait composée d'ondes et celle de Isaac Newton qui
considérait que la lumière était faite de particules ( les photons). À la suite des travaux d’Albert Einstein,Louis
de Broglie et bien d'autres, les théories scientifiques modernes accordent à tous les objets une nature d'onde et
de particule, bien que ce phénomène ne soit perceptible qu'à des échelles microscopiques.
Document n°2: La théorie de Huygens : Source : http://www.editionsellipses.fr/PDF/9782729875343_extrait.pdf
Document n°3: La théorie de Newton.
Document n°4: Expérience des fentes d’Young. VUE en TP
L'expérience des fentes d'Young consiste à envoyer sur une
plaque percée de deux fentes parallèles une onde
électromagnétique, de longueur d'onde λ dans le vide, issue
d'une source lumineuse. En diminuant suffisamment
l'intensité lumineuse de la source, on peut considérer que les
photons sont émis un par un.
On enregistre au cours du temps la position de l'impact de
chacun des photons sur un capteur, après la traversée des
fentes d'Young.
Pour une durée d'expérience très longue, le nombre de
photons détectés est grand. Le résultat est représenté sur la
photo ci-dessous. Chaque point blanc représente l'impact d'un
photon.
On distingue des zones brillantes (là où beaucoup d'impacts se produisent) qui alternent avec des zones sombres
(là où peu d'impacts se produisent même après une longue durée d'expérience). IL s’agit du phénomène
d’interférences !
Si on procède de manière similaire, mais en envoyant des particules de matière(on parle alors d’onde de
matière), de masse non nulle, telles que des électrons, on observe une distribution identique à celle obtenue avec
les photons. Les premiers impacts semblent être désordonnés, puis, lorsque leur nombre augmente, ils se
répartissent de manière plus organisée. Tous les électrons sont émis dans les mêmes conditions, mais sont
détectés en des points différents.
Photos ci-contre: La durée
de l'expérience et donc le
nombre d'électrons sont
croissants (N représente le
nombre d’impacts) Les
impacts électroniques sur
l'écran apparaissent en blanc.
Dans ce type d'expériences,
on est incapable de
reconstituer la trajectoire de
la particule (Photon ou
électron) puisqu'on ne sait
pas par quelle fente elle est
passée.
Si on réalise l'expérience en fermant alternativement, l'une ou l'autre des fentes, on n'observe plus de figure
d'interférences, mais une distribution d'impacts centrée sur l'une ou l'autre des fentes. (Figure de diffraction).
Cela a permis de mettre en évidence l’aspect probabiliste des phénomènes quantiques.
Document n°5: Loi de Broglie.
En 1924, Louis de Broglie affirma que toute matière (et pas seulement la lumière) a une nature ondulatoire. Il
associa la quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à
la vitesse et la masse d'un objet. La quantité de mouvement d'un système fait partie, avec l'énergie, des valeurs
qui se conservent lors des interactions...) p d'une particule à une longueur d'onde λ, appelée longueur d'onde de
de Broglie :
C'est une généralisation de la relation de Planck-Einstein E=mc2, car la quantité de mouvement (ou l'impulsion)
d'un photon est donné par
Où c est la vitesse de la lumière dans le vide,
et (si
on remplace p et ν dans l'équation de de Broglie, on retrouve l'équation d'Einstein)
Remarque : On le verra plus tard dans l’année mais la quantité de mouvement d’un corps possédant une masse
est exprimée par la relation :
p = m. v
où p est exprimée en kg.m.s-1
Document n°6 : Enoncé d’exercice.
L'uranium 238 est un émetteur α : par désintégration radioactive, il se transforme en thorium 234 en émettant un
noyau d'hélium 4 (particule α).
Le cobalt 60 est un émetteur β- : par désintégration radioactive, il se transforme en nickel 60 en émettant un
antineutrino et un électron (particule β-, environ 7 300 fois moins lourd qu'une particule α).
La longueur d'onde de l'onde de matière associée à cette particule a vaut 1,04 x 10-14 m et celle associée à cette
particule β- vaut 2,43 x 10-11 m.
Données : me = 9,1 x 10-31kg, mp=mn= 1,67.10-27 kg et h= 6,62.10-34J.s
1. Exprimer la relation entre la longueur d'onde de l'onde de matière associée à une particule matérielle et la
valeur de sa quantité de mouvement.
2. Calculer les valeurs des vitesses des particules α et β-.
3 .a. Exprimer l'énergie cinétique d'une particule en fonction de sa masse et de la valeur de sa vitesse.
b. Calculer puis comparer les énergies cinétiques de ces particules.
Questions:
1) En quoi le document n°4 traduit-il la dualité onde-corpuscule ?
2) Citer des phénomènes justifiant l’aspect ondulatoire puis corpusculaire de la lumière.
3) Expliquer la dernière phrase du document n°4.
4) Pourquoi peut-on parler d’onde de matière ?
5) Résoudre l’exercice du document n°6.