Transferts quantiques d`énergie dualité onde_corpuscule

Terminale S Sciences physiques
CH13 Transferts quantiques d’énergies page 403
Figure 1 : L’effet photoélectrique
1 mars Albert Einstein publie un premier article révolutionnaire dans la
revue "Annalen der Physik", intitulé "Sur un point de vue heuristique
concernant la production et la transformation de la lumière".
Pour comprendre la nature de la lumière, il s’est penché sur l’effet
photoélectrique, phénomène par lequel certains matériaux émettent des
électrons sous l’action des rayons lumineux. En s’appuyant sur les travaux
de Max Planck, il explique que la lumière est formée de "quanta" (qu’on
appellera plus tard "photons"), sorte de grains d’énergie qui, en fonction de la
fréquence du rayonnement, provoque l’émission de ces électrons.
Il en déduit que la lumière est à la fois continue (une onde) et discontinue (des particules). Cette conclusion
l’amènera alors à la dualité onde-particule de la lumière car cette dernière présente simultanément les propriétés
physiques de l’onde et celles de la particule.
Figure 4
Figure 5
Figure 2 : La dualité
Figure 3 : Fentes d’Young
Figure 6
Questions :
a. Dans l’expérience des fentes d’Young, distinguer les « phases » du voyage d’un électron jusqu’au
dispositif détecteur.
b. Pourquoi les physiciens ayant effectué cette expérience ont-ils envoyé les électrons un après l’autre
jusqu’au détecteur ?
c.
Quelles sont les propriétés différenciant un photon d’un électron ?
d. En quoi cette expérience montre le caractère probabiliste des phénomènes quantiques ?
Esup
Esup
hυ
Einf
hυ
Einf
Figure 7 : Spectre de raies d’absorption
Figure 8 : Spectre de raies d’émission
Transferts quantiques et dualité
Terminale S Sciences physiques
CH13 Transferts quantiques d’énergies page 403
Questions :
a. Calculer la longueur d’onde d’un photon associé à la transition énergétique d’un atome passant d’un
niveau d’énergie de – 7,4 eV à un niveau de – 4,2 eV
b. Ce photon est-il émis ou absorbé par l’atome ?
Donnée : 1 eV (électronvolt) = 1,60⋅10 –19 J
L’interaction lumière-matière se produit donc dans des domaines énergétiques variés, et donc à des fréquences et
énergies variées.
λ
Rayons γ
E (eV)
Rayons X
10
U.V.
5
10
Transitions
Nucléaires
Visible
2
I.R.
10
Transitions électroniques
Micro-onde
0
10
Vibration des
molécules
–3
10
–6
Rotations des
molécules
Figure 9 : Type de transitions
Questions :
a. Calculer la variation d’énergie d’un atome d’hydrogène qui passe de E1 = – 0,37 eV à E2 = – 3,39 eV.
b. Représenter cette transition d’énergie sur un diagramme.
c.
Calculer la fréquence du photon associé à cette transition.
d. Ce photon est-il émis ou absorbé ?
e. Ce photon interagit-il avec une molécule, un électron ou un nucléon ? Justifier.
Esup
Figure 10 : Emission stimulée
hυ
hυ
hυ
Einf
Figure 11 : Coupe d’un laser
Figure 12 : Pictogramme
Transferts quantiques et dualité
Terminale S Sciences physiques
CH13 Transferts quantiques d’énergies page 403
ELEMENTS DE REPONSE :
a. Dans l’expérience des fentes d’Young, distinguer les « phases » du voyage d’un électron jusqu’au
dispositif détecteur.
Chaque électron part du canon comme une particule, mais devient une « onde de possibilité » et passe par
les deux fentes en interférant avec lui même, puis tape le détecteur derrière les fentes comme une particule.
b. Pourquoi les physiciens ayant effectué cette expérience ont-ils envoyé les électrons un après l’autre
jusqu’au détecteur ?
Le fait de regarder modifie le comportement de l’électron et ce dernier se comporte alors comme une petite
bille. Bienvenu dans le monde quantique !
c. Quelles sont les propriétés différenciant un photon d’un électron ?
Le photon est un quantum d’énergie ayant :
- une masse nulle
- une charge nulle
- une vitesse égale à c dans le vide
L’électron est une particule possédant une masse, une charge électrique
d. En quoi cette expérience montre le caractère probabiliste des phénomènes quantiques ?
Mathématiquement, l’électron peut passer par la fente de gauche, la fente de droite, les deux ou même par
aucune.
Questions :
a. Calculer la longueur d’onde d’un photon associé à la transition énergétique d’un atome passant d’un
niveau d’énergie de – 7,4 eV à un niveau de – 4,2 Ev
λ=h.c/E = 6,63.10-34*3,0.108/((7,4-4,2)*1,6.10-19=3,9.10-7 m = 3,9.102 nm
b. Ce photon est-il émis ou absorbé par l’atome ? l’atome augmente son énergie, il s’agit donc d’une
absorption.
Questions :
f.
Calculer la variation d’énergie d’un atome d’hydrogène qui passe de E1 = – 0,37 eV à E2 = – 3,39 eV.
∆E= -3,39- (-0,37) = -3,02 eV
g. Représenter cette transition d’énergie sur un diagramme : flèche vers le bas
h. Calculer la fréquence du photon associé à cette transition.f= ∆E/h=3,02*1,6.10,19/6 ,63.10-34=7,3.1014Hz
i.
Ce photon est-il émis ou absorbé ? l’atome diminue d’énergie, il s’agit donc d’une émission.
j. Ce photon interagit-il avec une molécule, un électron ou un nucléon ? Justifier. La différence d’énergie est
de 3,02 eV, d’après le diagramme présenté, ce photon interagit avec un électron.
Transferts quantiques et dualité