Chp 11 vers la physique quantique eleves bis

Terminale S_Thème 2_COMPRENDRE : LOIS ET MODELES
chapitre …_Vers la physique quantique
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VERS LA PHYSIQUE QUANTIQUE
Nous avons déjà évoqué l’importance de bien prendre en considération les limites de nos études en
estimant les approximations sous-entendues dans les modèles considérés (représentations simplifiées mais fidèles de
la réalité). Les simplifications et approximations se justifient alors par la précision que l’on souhaite avoir.
Par ailleurs, l’observation au niveau microscopique impose l’utilisation de techniques permettant de visualiser le
monde de l’infiniment petit. Les progrès scientifiques permettent ainsi de voir avec toujours plus de détails.
A l’instar, des avancées sur le domaine du temps qui ont amené les scientifiques à reconsidérer leurs conceptions sur la
relativité du temps et non celle de la célérité, l’observation toujours plus fine a conduit une nouvelle fois les théoriciens,
à estimer de nouvelles limites à leurs études puisqu’il s’avère que les petites particules ne respectent pas les lois de la
mécanique classique de Newton !
Comment les scientifiques sont-ils parvenus à cette conclusion ?
Qu’en est-il réellement, au niveau microscopique, du comportement d’une particule ? des particules ?
C’est tout l’objet de ce cours au travers duquel nous reviendrons sur l’usage du Laser pour corroborer
notre étude sur le rapport {matière – énergie} et démontrer toutes ses limites avec la dualité onde-corpuscule.
La relation de De Broglie liant la quantité de mouvement (aspect particulaire) à la longueur d’onde (aspect
ondulatoire) permettra alors de mettre en avant tout l’étrangeté du comportement des petites particules avec un aspect
probabiliste, notamment en raison du grand nombre, à prendre en considération ; base même de la physique quantique,
là où la mécanique classique de Newton devient insuffisante.
Nous en profiterons pour discuter des nombreuses applications actuelles de la physique quantique (énergie nucléaire,
IRM, microscope électronique, laser, …) bien que, comme l’évoque Richard Feynman (1918-1988, prix Nobel de
physique pour ses études sur la quantique en 1965) : « Personne ne comprend vraiment la physique quantique » …
I. Transferts quantiques d’énergie et LASER.
Le LASER (acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) est un amplificateur
de lumière fonctionnant grâce à une émission stimulée de rayonnement.
Son fonctionnement repose donc sur le concept de quantification d’énergie que nous allons détailler.
1. Généralités autour des transitions énergétiques.
Document 1 : Transitions énergétiques
Une entité (atome, ion, molécule) possède plusieurs niveaux
d’énergie qui ne peuvent prendre uniquement que certaines valeurs.
L’énergie d’une particule est dite quantifiée.
Ex : Niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène :
* Absorption :
Lorsqu’on apporte de l’énergie (via un photon, une collision, un courant électrique) à une entité, celle-ci
absorbe l’énergie et passe à un niveau d’énergie supérieure : c’est l’absorption.
* Emission spontanée :
Dans un état excité, une entité n’est pas stable. La durée de vie de cet état excité est limitée (quelques
nanosecondes [= …… s]). La particule va donc perdre son énergie et émettre un photon : c’est l’émission spontanée
(dans une direction aléatoire).
a. Quel est le niveau le plus stable ? Préciser son nom et celui des autres.
b. Comment appelle-t-on les particules transportant l’énergie des OEM ?
Quelle fréquence υ doit posséder une telle particule pour assurer la transition énergétique entre deux
niveaux ? En déduire la longueur d’onde λ correspondante.
Que se passe-t-il si l’énergie apportée est supérieure ou inférieure ?
c. Faire un schéma illustrant les différentes transitions énergétiques.
E (eV)
E1
E2
E3
E4
 1,51
 3,39
 0,85
 13,6
 0,37
0

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Document 2 : Transitions d’énergie possibles
 Dans une molécule, les transitions d’énergie font vibrer, tourner
ou déforme la molécule. Ces transitions vibrationnelles sont de l’ordre du
meV soit un rayonnement infrarouge.
(Ces transitions sont responsables de l’effet de serre avec les molécules d’eau et de
dioxyde de carbone atmosphérique qui vibrent sous le rayonnement IR de la Terre.
Un micro-onde aussi repose sur la vibration des molécules d’eau des aliments.)
 Dans un atome, les transitions d’énergie concernent les électrons.
Ces transitions électroniques sont de l’ordre de l’eV soit un rayonnement
visible ou UV (c’est le cas des OEM émises par un laser).
 Dans un noyau, des transitions d’énergie peuvent aussi se faire par
absorption ou émission de photon. Ces transitions nucléaires sont très
énergétiques, de l’ordre du MeV soit un rayonnement gamma γ (d’où la
radioactivité dangereuse & mutagène des transformations nucléaires !).
d. Justifier les différences d’ordre de grandeur énergétique selon la nature des transitions énergétiques
mises en jeu.
2. L’émission stimulée et le principe de fonctionnement d’un LASER.
Document 3 : Désexcitation d’un atome
On considère un atome (ou une molécule) dans un état excité E2. Cet atome peut se désexciter tout seul ou de
façon forcée en émettant un photon. Cette émission peut être :
- spontanée : le photon est émis dans une direction quelconque ;
- induite ou stimulée : en soumettant l’atome à un rayonnement incident de fréquence ν tel que h.ν = ΔE,
le photon émis possède alors la même fréquence ν et la même direction de propagation que le rayonnement incident.
Ce processus d’émission stimulée permet d’amplifier une OEM et constitue la base du fonctionnement d’un LASER.
Document 4 : Principe de fonctionnement du LASER
(1) Pour obtenir un effet d’émission stimulée sur un grand nombre d’entités, ces dernières doivent déjà se trouver
dans le niveau d’énergie excité E2. Pour cela, il faut fournir de l’énergie (en branchant au secteur le LASER par exemple) aux
entités initialement dans leur état fondamental E1. Cela s’appelle effectuer une inversion de population.
(2) L’inversion de population étant réalisée, une entité va subir une émission spontanée en émettant un photon
de fréquence ν. Ce dernier va déclencher une émission stimulée, à l’issue de laquelle on obtient 2 photons identiques
et en phase. Ils vont à leur tour induire 2 émissions stimulées induisant 4 photons et ainsi de suite. Le nombre de
photons de même fréquence ν, de même direction et en phase qui traversent le milieu se multiplie très rapidement.
=> C’est l’effet LASER, c’est-à-dire l’amplification du rayonnement.
Pour obtenir un effet LASER efficace, on place le milieu optiquement actif (= les entités qui subissent
l’inversion de population et l’émission stimulée, on peut parler d’oscillateur optique) dans une cavité entre deux
miroirs disposés face à face. Ainsi, chaque photon fait plusieurs allers et retours, d’où un nombre plus important
d’émissions induites par ce photon.
Quelques domaines
d’applications des
différentes transitions
énergétiques :
http://www.toutestquantique.fr/animations%20quantiques/2_QUANTIFICATION_FR.mp4

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Il reste à aménager une « ouverture » pour qu’une partie du rayonnement s’échappe de la cavité, formant ainsi le
rayon LASER. Pour ce faire, il suffit qu’un des deux miroirs soit partiellement réfléchissant. La longueur d’onde λ, ou la
fréquence ν, du faisceau émis dépend des dimensions de la cavité. En effet, la longueur d’onde des ondes lumineuses
allant et venant dans la cavité et donnant lieu à l’effet LASER doit être un diviseur entier de la longueur de la cavité.
http://www.toutestquantique.fr/animations%20quantiques/laser_FR.mp4
a. Faire un schéma résumant le principe d’émission spontanée et d’émission stimulée.
b. D’après les caractéristiques des photons émis, déterminer les trois principales propriétés d’un LASER.
Rq : Dangerosité Le faisceau LASER étant directif et présentant une concentration de l’énergie, la
puissance surfacique est élevée et dangereuse en conséquence !
Ex : PLASER de chirurgie = 4.106 W.m-2 > PSoleil = 100 W.m-2
c. Donner une justification à la dernière phrase du document 4.
II. Dualité onde-particule.
Au début du XXème siècle, la nature ondulatoire de la lumière est presque unanimement admise. Il est
solidement établi qu’il s’agit d’une onde électromagnétique OEM.
Pourtant, de nouvelles expériences et observations viennent bouleverser cette certitude !
Document 5 : Evolution des idées sur la nature de la lumière au cours des siècles
Pour certains, la « lumière est formée de grain ». Pour d’autres, la « lumière est ondulatoire ».
Voici quelques repères historiques :
* Au XVIIème siècle, Christian Huygens, astronome et physicien néerlandais, interprète la lumière comme la
propagation d’une onde dans son Traité de la Lumière.
* En 1802, le médecin anglais Thomas Young envoie de la lumière à travers deux fentes. Il observe des franges
d’interférences comme pour des ondes mécaniques qui s’ajoutent ou s’annulent en intensité dans des directions
privilégiées.
* En 1850, Heinrich Hertz étudie l’effet photoélectrique. Au voisinage d’un arc électrique produit, une plaque de
zinc est déchargée par de la lumière UV mais non par de la lumière visible. La nature ondulatoire ne permet pas
d’expliquer ces observations. Pour Hertz, l’interaction matière-lumière impose que la lumière se propage sous forme
de grains d’énergie différente selon le domaine considéré.
* En 1864, James Maxwell (Scottish) démontre la nature ondulatoire et électromagnétique de la lumière capable
de se propager à une vitesse finie « c » et dans le vide.
* En 1905, Albert Einstein introduit de nouveau la notion de photon (= particule de lumière) pour expliquer les
expériences de Hertz car seules certaines énergies permettent de décharger la plaque de zinc. La lumière doit donc
être transportée par des grains possédant exactement ce quantum d’énergie (concept de Max Planck, 1900) d’où la
nature particulaire de la lumière. (Cette introduction de quanta d’énergie de rayonnement lui valut son prix Nobel de 1921.)
Quelques liens : * Expérience des fentes d’Young avec des électrons : http://www.youtube.com/watch?v=7f14cVCpvDc
http://www.youtube.com/watch?v=JlsPC2BW_UI
* http://www.canal-u.tv/video/science_en_cours/quelques_experiences_d_initiation_a_la_microscopie_electronique.3436
* http://www.toutestquantique.fr/
Particule
excitable
Utilisation du LASER au quotidien
Lecteurs CD, DVD, blu-ray,
Domaine de la Santé,
Usinage de pièces et découpages, Télécommunications,
Analyse spectrale (e.g Robot Curiosity sur Mars),
Radar (utilisation effet Doppler grâce à monochromaticité du LASER),
Métrologie, …

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Document 6 : Dualité onde-particule de la lumière ET de la matière.
Louis de Broglie admet que tous les objets microscopiques de la matière (électron, proton, …) présentent,
comme la lumière, un double aspect ondulatoire et particulaire (ou corpusculaire).
Pour tenter d’unifier ce double comportement de la matière, de Broglie introduit la notion d’onde de matière. Il
imagine une relation permettant de lier onde et particule en utilisant la définition de l’énergie d’Einstein pour les
photons (ΔE = m.c²) et celle des transitions énergétiques (ΔE = h.ν).
Mise en évidence expérimentale :
Après le postulat de De Broglie, les chercheurs ont réalisés des expériences afin d’éprouver ses dires.
Ainsi, ils ont réussi : - à diffracter des électrons en 1927 et des neutrons en 1946,
- à faire interférer des atomes de néon froids en 1992 et des fullerènes (molécules C60) en 1999.
a. Pour Th. Young quelle est la nature de la lumière ? Et pour H. Hertz ? Conclure.
b. Retrouver la relation de De Broglie en considérant la vitesse v du système étudié.
On précisera la grandeur faisant référence au comportement ondulatoire de la lumière et celle faisant
référence au comportement particulaire.
c. Quelles expériences permettent de mettre en évidence le caractère ondulatoire de la lumière ? Qu’en
est-il pour la matière ?
d. Quelle condition doit remplir la longueur d’onde de De Broglie λDB pour que le caractère ondulatoire
de la lumière soit significatif ?
e. Une onde de matière est très peu affectée par la rencontre d’objets de dimension très supérieure à sa
longueur d’onde. Le comportement ondulatoire est par conséquent indécelable pour les objets du
quotidien et ce, à cause de la valeur extrêmement faible de la constante de Planck.
Un élève, pressé d’aller en cours de physique et avançant alors à une vitesse v = 2,0 m.s-1, subit-il une
diffraction en passant le portail du lycée, sachant que sa masse m = 60 kg ?
III. Aspect probabiliste des phénomènes quantiques.
Les phénomènes quantiques sont des phénomènes où interviennent des objets microscopiques de la
matière et qui ne s’expliquent pas par la mécanique classique de Newton.
Revenons sur l’expérience des interférences : on ne peut pas prévoir la position exacte de l’impact du photon sur
l’écran. Mais, lorsque le nombre d’impact est important, les photons ont plus de chances de se retrouver à certains
endroits ; ils suivent alors une loi probabiliste.
 Si on envoie un faisceau de photons à travers des fentes d’Young, on observe des franges d’interférences ; ce qui
s’explique par le caractère ondulatoire de la lumière.
 Maintenant, si on envoie sur ces fentes photon par photon sur :
- après 100 photons, on ne peut observer que des impacts aléatoires,
- après 1 000 photons, il en va toujours de même,
- après 10 000 photons, on observe alors des franges d’interférences.
a. Le comportement d’un photon est-il prévisible ou aléatoire ? S’agit-il d’une onde ou d’une particule ?
b. Dans quel cas peut-on prévoir un certain comportement avec une bonne probabilité ?
Rq : * Le grand nombre considéré permet de limiter l’incertitude et alors d’amener une plus grande précision.
* La radioactivité présente les mêmes caractéristiques : « Le carbone 14 n’est pas stable, il a tendance à se désintégrer de
manière spontanée et aléatoire. On ne sait donc pas, pour un atome donné, quand il va subir sa transformation. Néanmoins, pour un
échantillon contenant un grand nombre de carbone 14, on sait que la moitié se sera désintégrer au bout de 5 370 ans. »
 On retrouve ici le caractère aléatoire et probabiliste (sur un grand nombre) au niveau microscopique.
N < 2000
N > 6000

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Conclusion : La recherche de la compréhension des phénomènes observés au niveau macroscopique trouve
ses réponses au niveau microscopique. Mais en allant toujours plus loin dans la précision des mesures, le chercheur se
retrouve confronté à de nouvelles limites, remettant sans cesse ses théories à l’épreuve. Quoi qu’il en soit, il en profite
toujours pour agir et réinvestir ses savoirs et nouvelles connaissances dans de nouvelles technologies, mises au point,
perfectionnements autre améliorations.
Compétences
- Connaître le principe de l’émission stimulée et les principales propriétés du laser (directivité, monochromaticité,
concentration spatiale et temporelle de l’énergie).
- Associer un domaine spectral à la nature de la transition mise en jeu.
- Savoir que la lumière présente des aspects ondulatoires et particulaire.
- Extraire et exploiter des informations sur les ondes de matière et sur la dualité onde-particule.
- Connaître et utiliser la relation p = h / λ.
- Identifier des situations physiques où le caractère ondulatoire de la matière est significatif.
- Extraire & exploiter des informations sur les phénomènes quantiques pour mettre en évidence l’aspect probabiliste.
-Mettre en œuvre un protocole expérimental utilisant un laser comme outil d’investigation ou pour transmettre l’information.
Bac S 2014 Amérique du nord ONDES ET PARTICULES
Si l’on parvient à établir la correspondance entre ondes et corpuscules pour la matière, peut-être
sera-t-elle identique à celle qu’on doit admettre entre ondes et corpuscules pour la lumière ? Alors on aura
atteint un très beau résultat : une doctrine générale qui établira la même corrélation entre ondes et corpuscules,
aussi bien dans le domaine de la lumière que dans celui de la matière.
d’après « Notice sur les travaux scientifiques » de Louis de Broglie, 1931
Données numériques : Masse d’un électron : me = 9,1.10-31 kg
Charge élémentaire : e = 1,6.10-19 C
Constante de Planck : h = 6,6.10-34 J.s
Vitesse de propagation de la lumière dans le vide : c = 3,0 × 108 m.s-1
Partie A : Expérience des fentes d’Young
Au début du XIXe siècle, Thomas
Young éclaire deux fentes F1, F2 fines et
parallèles (appelés fentes d’Young) à
l’aide d’une source lumineuse
monochromatique. On observe sur un
écran des franges brillantes et des
franges sombres. L’aspect de l’écran est
représenté ci-dessous.
1. Qualifier les interférences en A et en B.
2. Ci-dessous sont représentées les évolutions temporelles de l’élongation de trois ondes (a), (b) et (c).
Choisir en justifiant, les deux ondes qui interférent en A et les deux ondes qui interférent en B permettant de
rendre compte du phénomène observé.
Élongation en fonction du temps
Élongation en fonction du temps
Élongation en fonction du temps
onde (a)
onde (b)
onde (c)