Chapitre 15 - La physique chimie au lycée

Chapitre 15 : Transfert quantique d'énergie et dualité onde-particule
I- Dualité ondes-particules
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Application : Dans un microscope électronique, les électrons accélérés sont générés par un canon à électrons comprenant une
source et un champ électrique produit par une différence de potentiel entre la source et une anode. A la sortie de l'accélérateur,
l'électron possède une énergie cinétique de 10 keV. Le faisceau d'électrons interagit avec l'échantillon avec un contraste spatial
résultant de différences de densité ou de composition chimique, et mesuré par un détecteur permettant ainsi de former une
image de l'échantillon.
La résolution d'un microscope électronique est plus importante que celle d'un microscope optique.
Expliquer cette affirmation.
Données : masse d'un électron : me = 9,11.10-31 kg
1eV = 1,60.10-19 J
h = 6,63.10-34 J.s
II- Aspect probabiliste de la mécanique quantique
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III- Exemple d'oscillateur optique : le laser
1) Principe de fonctionnement
Doc 1: Principe de fonctionnement d'un LASER
Le terme LASER provient de l'acronyme anglais «light amplification by stimulated emission of radiation , en français :
«amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement».
Le principe physique du laser a été décrit en 1917 par Einstein, il repose sur trois phénomènes physiques qui décrivent
l’interaction d’un atome avec la lumière.
- l’absorption : un atome qui reçoit un photon de longueur d’onde adéquate, peut l’absorber. Il est alors dans un «état
excité ».
- l’émission spontanée : l’atome excité peut revenir dans son état initial, appelé « état fondamental», en laissant partir
un photon de même longueur d’onde que celui qu’il avait absorbé pour passer dans l’état excité.
- l’émission stimulée : lorsqu’un atome excité reçoit un photon dont la longueur d’onde aurait permis de l’exciter s’il
avait été dans son état fondamental, ce photon peut «déclencher » (on dit «stimuler») la désexcitation de l’atome. L’atome va
alors émettre un deuxième photon, de même longueur d’onde que celui qu’il a reçu, mais aussi dans la même direction et avec
la même phase que le premier. L’atome excité joue alors le rôle de
« photocopieuse à photons » (Fig.1).
Fig.1 Excitation d'un atome par absorption, désexcitation d'un
atome par émission spontanée d'un photon et désexcitation
d'un atome par émission stimulé d'un photon
Une source laser associe un amplificateur optique basé sur l'effet laser à une cavité optique, encore appelée résonateur. L’effet
laser repose sur l’émission spontanée. Imaginons un matériau, le milieu amplificateur, où les atomes sont pour la plupart dans
un état excité. Tôt ou tard, un atome va émettre un photon par émission spontanée, et ce photon va entraîner une cascade
d’émissions stimulées qui vont le «photocopier» un grand nombre de fois, jusqu’à atteindre une grande puissance : le faisceau
laser est là (Fig.2).
Il n'y aura amplification que si les atomes sont plus nombreux à être dans «l'état excité» (susceptible d'émettre) que dans
«l'état fondamental» (susceptible d'absorber) : il est nécessaire d'avoir une «inversion de population».
Cependant, à l'équilibre thermodynamique, «l'état fondamental» est toujours le plus peuplé.
Pour maintenir une inversion de population, il est nécessaire de fournir constamment un apport d'énergie extérieure aux
atomes, pour ramener dans «l'état excité» ceux qui sont repassés dans «l'état fondamental» après l'émission stimulée : c'est le
«pompage». Les sources d'énergie extérieures peuvent être de différent type, par exemple un générateur électrique, ou un
autre laser (pompage optique)...
Pour assurer une émission dans la direction choisie, et augmenter l’effet de l’émission stimulée, on place le milieu
amplificateur entre deux miroirs de manière à ce que la lumière fasse plusieurs allers-retours avant d’être émise : grâce à cette
cavité optique, l’amplification gagne en efficacité (Fig.3).
1
Fig.3 : Schéma de principe d'un laser.
Fig.2 : Amplification de photons (les points
rouges représentent les atomes excités).
Document 2 : LASER à gaz hélium-néon
Le laser hélium-néon est un laser à gaz de petite dimension (Fig.4). Il s'agit du laser que l'on retrouve le plus souvent dans les
établissements scolaires pour les divers démonstrations d'optique. Il émet dans le rouge à 632,8nm
Fig.4 : Constitution d'un laser hélium-néon.
Dans un laser hélium-néon, tout commence par la collision d'un électron provenant de la décharge électrique avec un atome
d'hélium dans le mélange de gaz. Cette collision excite l'atome d'hélium de son «état fondamental» à un «état excité» à longue
durée de vie qui est un «état excité métastable». Une collision d'un atome d'hélium excité avec un atome de néon dans son
«état fondamental» crée un transfert d'énergie vers l'atome de néon qui se trouve alors excité. Ceci est dû à la concordance des
niveaux énergétiques des atomes d'hélium et de néon.
Le nombre d'atomes de néon à l'«état excité» augmente au fur et à mesure des collisions entre les atomes d'hélium et de néon,
d'où il résulte, in fine, une inversion de population.
L'émission spontanée et l'émission stimulée produisent une émission lumineuse à 632,82 nm qui est la longueur d'onde
caractéristique du laser hélium-néon (Fig.5).
Fig.5 : Niveaux d'énergie et transitions électroniques d'un laser hélium-néon.
Il existe d'autre transitions électroniques possibles. En adaptant la cavité optique, le laser hélium-néon peut émettre sur
d'autres longueurs d'onde (Fig.6).
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Fig.6 : Niveaux d'énergie et transitions électroniques d'un laser
hélium-néon plus complet.
Document 3 : Le laser à impulsion
Un laser femtoseconde est un type de laser particulier qui produit des impulsions ultra-courtes dont la durée est de l'ordre de
quelques femtosecondes à quelques centaines de femtosecondes (1 femtoseconde = 1 fs = 10-15 seconde). Ce type de laser est
largement étudié et utilisé en recherche, dans l'industrie et dans le domaine des applications biomédicales. En effet, on peut
utiliser ces fortes énergies par pulses pour le micro-usinage de matériaux.
Donnée : Constante de Planck : h = 6,63.10-34J.s
1 eV = 1,60.10-19 J
1) Quelle doit être la condition sur l'énergie du photon pour que celui ci soit absorbé par un gaz?
2) Expliquer le principe de :
– l'émission spontanée
– l'émission stimulée
3) Donner les principales caractéristiques de la lumière émise par un laser.
4) Expliquer le phénomène d'amplification optique
5) Retrouver la variation d'énergie associée à l'émission laser de 632,8 nm en Joules puis en électron-Volt
6) A quels domaines spectraux appartiennent les autres transitions électroniques possibles du laser hélium-Néon? Pourquoi
sont-elles indétectables à la sortie du laser?
2) Le laser : un outil d'investigation / Interférences et stockage d'information
Course au stockage de l’information :
Lancé en 1996, le DVD était connu comme le moyen de stockage de grande capacité pour les données informatiques et audiovidéo de haute qualité. Il a supplanté le CD. Dix ans plus tard, le Blu-ray arrivait sur le marché. Il permettait de stocker
toujours plus d’informations sur la même surface grâce à un rayon plus fin induisant des sillons de gravure plus petits et plus
rapprochés et des alvéoles plus courtes. Le Blu-ray pourrait bien être le dernier format optique de l’histoire. L’industrie aurait
déjà trouvé un remplaçant : les supports dématérialisés. Aujourd’hui, il est possible de louer ou d’acheter un film au
téléchargement sur Internet, le tout en haute définition.
Notre but est de montrer expérimentalement qu’un DVD stocke plus d’informations qu’un CD sur la même surface.
Document 1 : Lecture des données d’un support optique gravé
Sur un CD, les données sont inscrites sur une piste en spirale qui fait près de 5 km de long, du
centre vers l’extérieur et compte 22188 tours.
Les spirales confèrent au CD les propriétés optiques d’un réseau. L’espacement « b » entre les
spirales correspond à l’espacement entre les « fentes » du réseau. La dispersion de la lumière
par les spirales a lieu après une réflexion sur une couche métallique déposée sur le CD.
La piste est une succession de creux et de bosses gravées. Le laser lit la totalité de la piste où
sont gravés les microreliefs du centre vers l’extérieur du disque. Chaque passage du laser d’une
bosse à un creux et inversement équivaut à 1 suivi d’un nombre de 0 proportionnel à la
longueur de la bosse ou du creux. Ces valeurs sont ensuite traduites en données numériques.
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Document 2 : Figure d’interférences et support
optique
Document 3 : Calcul du pas d'un CD/DVD
La distance entre deux sources secondaires (le pas) est b telle que :
√
b=λ 1+4
2
()
d
x
avec λ la longueur d’onde de la lumière laser. ( λ = 632,8 nm)
À partir des documents 1, 2, 3 et de la liste de matériel, on souhaite réaliser une expérience permettant de montrer qu’un DVD
stocke plus d’informations qu’un CD sur la même surface.
a) Identifier la grandeur à mesurer pour répondre à la problématique posée ?
b) La valeur de cette grandeur n'étant pas accessible par la mesure directe, préciser les grandeurs à mesurer qui conduiront à sa
valeur numérique.
c) À partir de la liste de matériel, proposer un protocole expérimental permettant d'accéder à la grandeur caractéristique de la
capacité de stockage d'un support optique (CD ou DVD).
Remarque : le protocole expérimental doit expliciter la façon dont on va utiliser le matériel, l’ordre dans
lequel les différents objets seront disposés et les mesures que vous prévoyez de faire. Un schéma annoté devra
également être proposé pour illustrer le tout.
d) Conclure
CQFR du Chapitre 15
- Savoir expliquer les phénomènes d'émission et d'absorption quantiques
- Connaitre le principe de l'émission stimulée et les principales propriétés du laser (directivité, monochromaticité,
concentration spatiale et temporelle de l'énergie)
- Savoir que la lumière présente des aspects ondulatoires (définie par une longueur d'onde) et particulaire (constituée de
photons)
- Connaitre la relation de De Broglie :
p=
h
λ
- Mettre en évidence l'aspect probabiliste (Interférences photon par photon, particule de matière par particule de matière) de la
mécanique quantique
- Transitions d'énergie : électronique et vibratoire
Exercices d'entrainement :
Ex 9 et 10 p 390 Ex 14 p 391 (A faire en classe, notion de transition d'énergie électronique et vibratoire, tableau p 385)
Ex 13 p 391
Ex 16 p 391
Ex 18 p 392
Ex 26 p 394
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