Transferts énergétiques, aspect microscopique et quantique 1

Transferts énergétiques, aspect microscopique et
quantique
Ce qui est au programme officiel :
• Constante d’Avogadro ;
• Transfert d’énergie quantique : émission et absorption quantique, émission stimulée, amplifica-
tion optique, oscillateur optique : laser
• Onde / particule : photon et onde lumineuse, particule matérielle et onde de matière, relation
de De Broglie, interférence photon par photon, particule par particule de matière.
1 Microscopique et macroscopique
La constante d’Avogadro NA= 6,02.1023 à été "choisie" pour assurer le changement d’échelle.
Application : calculer la masse d’une mole d’atome d’hydrogène sachant que la masse d’un proton
est mp= 1,673.10−27 kg et celle d’un électron me= 9,109.10−31 kg. Conclure.
Des outils au service de visualisation dans le domaine microscopique :
Étudier les animations sur le microscope à force atomique et le microscope à effet tunnel. Faire un
court résumé.
2 Un transfert quantique d’énergie : le L.A.S.E.R.
2.1 Émission et absorption spontanée (rappel de 1S)
Les électrons d’un atome peuvent se trouver dans un état excité.
Le passage d’un atome d’un niveau d’énergie à un autre est une transition électronique.
E
E2
E1
∆E
photon
∆E=E1−E2<0
Émission spontanée d’un photon
photon
L’atome abaisse son énergie et en cède à
l’extérieur sous forme de photon (quantum
d’énergie).
E
E2
E1
∆E
photon
∆E=E2−E1>0
Absorption d’un photon
photon
L’atome élève son énergie et en prélève à
l’extérieur sous forme de photon (quantum
d’énergie).
TS page 1 TPcours - Date :

L’énergie de l’e–ne peut prendre que des valeurs discrètes, caractéristiques de cet élément chimique
(en émission (excitation), exemple de la lampe de sodium ou en absorption)
L’énergie du photon émis ou absorbé est en liaison avec la variation d’énergie ∆Ede l’atome. Ainsi,
∆E=h·νet on déduit les deux relations comme λ=c
ν:
Ainsi : ∆E=h·c
λet λ=h·c ∆Eavec h= 6,63.10−34 J.s constante de Planck.
Dans le cas de sources lumineuses à gaz classiques (lampes spectrales, tubes fluorescents),
l’atome est excité par une source d’énergie extérieure et revient spontanément à son niveau de
plus grande stabilité en émettant un photon. Ce flux de photon est émis dans toutes les
directions,sans cohérence particulière.
À savoir également :
La transition entre deux états électroniques correspond à l’émission ou à l’absorption d’un
rayonnement visible ou UV tandis que la transition entre deux états vibrationnels
d’une molécule correspond à un rayonnement IR.
2.2 Émission stimulée
Visionner la vidéo du CNRS sur les 50 ans du laser et consigner les mots et idées principales à vos
yeux. Un bilan est fait au tableau à l’issue duquel on définira les locutions :
1. "émission stimulée" : Lorsqu’un photon disposant de l’énergie requise Erencontre un atome
dont un électron est sur le niveau excité (E2tel que E=E2−E1), l’atome absorbe le premier
photon et génère 2 photons d’énergie Eparfaitement cohérents.
2. "pompage optique" : Une source d’énergie apporte de l’énergie pour qui après absorption excite
des électrons des atomes du niveau E1au niveau E3. Lorsque la source est électrique on parle
de pompage électrique, si elle est optique de pompage optique.
3. "monochromatique" : Les photons émis après émission stimulée sont parfaitement cohérents et
de fréquence précise f0=ν. Cette fréquence unique justifie le terme monochromatique.
4. justifier alors l’acronyme : L.A.S.E.R. : Light Amplification by Stimulated Emission of Radia-
tion, qui reprend les termes décrits plus haut avec la notion d’amplification due aux aller-retours
effectués par les photons dans la cavité optique (voir animation dans le paragraphe suivant).
TS page 2 TPcours - Date :

2.3 Investigation autour du LASER (inspiré du travail de M. Rives)
DOC 1 :
Quand les atomes sont chauffés, excités par un courant électrique ou quand ils absorbent de la
lumière, leurs électrons gagnent de l’énergie. Mais ils ne peuvent stocker de l’énergie que de
manière très spécifique. Ainsi que l’a montré Niels Bohr en 1913, les atomes ont des niveaux
d’énergie bien précis, dits quantifiés, entre lesquels ils peuvent transiter. Ce faisant, l’atome
absorbe ou émet une particule de lumière dénommée photon... De même que les niveaux
d’énergie de l’atome, l’énergie du photon échangé et donc sa longueur d’onde et sa couleur qui
s’en déduisent, sont déterminées par le type d’atome ou de molécule concerné.
Dans les lampes habituelles, on fournit de l’énergie aux atomes avec un courant électrique,
c’est-à-dire qu’on met un certain nombre de leurs électrons dans les états supérieurs ou « excités
». Ils redescendent rapidement et retombent vers l’état de plus basse énergie en émettant de la
lumière de façon spontanée et désordonnée, dans toutes les directions et sur plusieurs longueurs
d’onde. Mais outre cette émission spontanée, il existe un autre processus découvert par Einstein
en 1917, appelé émission stimulée... La lumière peut forcer l’atome à redescendre de son état
excité en cédant son énergie : un photon frappe un atome excité et deux photons en ressortent.
L’intérêt de ce processus est que la lumière est exactement identique à la lumière incidente : elle
va dans la même direction et les deux ondes sont exactement en accord de phase.
Elisabeth Giacobino « Les lasers »
DOC 2 :
Pour faire fonctionner un laser, il faut réaliser une inversion de population, qui consiste à placer
une majorité de particules dans un état excité. L’émission stimulée prédomine alors sur
l’absorption.
Bordas TS 2012
DOC 3 :
Pour amplifier l’émission stimulée et sélectionner la direction des photons, on utilise un
dispositif, appelé cavité laser, constitué par deux miroirs en regard dont l’un est parfaitement
réfléchissant et l’autre, semi-réfléchissant, permettant ainsi au faisceau laser de sortir. À chaque
aller-retour entre deux miroirs, l’amplification est renforcée.
Bordas TS 2012
DOC 4 :
Laser Hélium-Néon ouvert sur le bureau
Liste de termes pour la légende : Ampoule de gaz Hélium-Néon (milieu actif) – Miroir
réfléchissant – Miroir semi-réfléchissant – Pompage électrique (génère l’inversion de population)
– Alimentation électrique (avec transformateur).
Lycée Laffemas 2014
TS page 3 TPcours - Date :

DOC 5 :
Une animation (http://phet.colorado.edu/sims/lasers/lasers−fr.jnlp) du PhET du Colorado.
University of Colorado
Démarche d’investigation :
1. Proposer et expliquer schémas à l’appui, avec les documents et le modèle à un atome de
l’animation, les conditions pour lesquelles on obtient un phénomène d’absorption, d’émission
spontanée, d’émission stimulée pour un atome.
2. Avec le modèle à plusieurs atomes de l’animation, préciser les conditions à la réalisation d’une
inversion de population (sans activer les miroirs). L’expliquer avec des schémas.
3. Poursuivre votre investigation afin de réaliser un laser fonctionnel. Consigner alors les conditions
réunies pour ce cas.
4. Compléter avec votre livre p.238 et 239. puis chercher les exercices n°3, 5 et 6 p.243.
Réponses :
1. Pour le modèle à un atome :
Atome non excité après émission
Atome excité après absorption
Atome excité après pompage optique
Atome désexcité et émission stimulée
2. et
3. Il faut : Durée de vie E3< Durée de vie E2. Sans miroirs, l’inversionde population s’établit
nettement puis avec miroirs le phénomène s’amplifie.
4. Avec un miroir semi-réfléchissant (environ 60%), l’onde laser s’évacue rectilignement permettant
ainsi la stabilisation du phénomène. La cavité laser doit avoir des dimensions adaptées : sa
longueur Ddoit permettre la résonance donc D est un multiple de λ.
TS page 4 TPcours - Date :

3 Dualité Onde-Particule
3.1 Les Ondes de matière
Effectuer l’activité documentaire n°3 p.236 de votre livre et répondre aux questions :
1.(a) pour une onde EM associée à un photon d’énergie E, on a E=h·νdonc λ=h·c
E
(b) pour une particule de masse met de vitesse v:λ=h
p=h m·v.
2.(a) Pour une bille de masse m= 3,5get v= 1,0m.s−1, on trouve λ= 1,9.10−31 m!
(b) pour un atome de néon de masse m= 3,32.10−26 kg et de vitesse v= 2,0m.s−1,
λ= 9,98.10−9m≈10 nm refroidi.
(c) le même atome à température ambiante a pour vitesse v= 1,0.103m.s−1et donc
λ= 2,0.10−11 m.
3. Il est donc clair que les phénomènes de diffraction et d’interférence qui sont sensibles
pour des dimensions de l’ordre de λsont perceptibles pour les particules microscopiques.
4.(a) sur le document, on peut lire que 4i= 1,0cm soit i= 2,5mm avec les atomes de néon
refroidis.
(b) avec des atomes à température ambiante, i′
i=λ′ λdonc i′=2,0.10−11 9,98.10−9×2,5.10−3=
5,0.10−6m= 5,0µm
5. L’intérêt de refroidir les atomes (donc de les ralentir) est d’obtenir une interfrange
visible à l’oeil nu.
6. Spectre :
λ(nm)
Ondes électromagnétiques
Ondes de matière
rayons γUV Visible
Objet de particules
microscopiques
la vie courante
rayons X
40010
0,01
Ce que l’on doit retenir :
• Relation de De Broglie (se prononce "de breuil") exprimant la longueur d’onde pour les
particules : λ=h
pavec prelativiste (p=γ·m·v) ou non (p=m·v).
• la longueur d’onde associée est d’autant plus faible que la quantité de mouvement p
est importante . Il en découle en particulier, que les objets massifs ne permettent pas
l’observation et donc l’utilisation des phénomènes de diffraction et d’interférences .
• En pratique, la particule matérielle pour laquelle ces réflexions sont courantes est l’élec-
tron de masse me= 9,11.10−31 kg. C’est la particule clé des atomes, de la chimie... Une
application : le microscope électronique dont la longueur d’onde faible permet l’observa-
tion d’infimes détails.
TS page 5 TPcours - Date :