Centrale Physique 2 PC 2012 — Énoncé 1/7
2012
Physique2
PC
4heuresCalculatricesautorisées
Trajectoiresélectroniquesdans unatome
Traitement durayonnement Zeeman
Le champmagnétiquerégnantàlasurfacedu soleil estun desparamètresqui influentsurl’activitésolaire
(instabilités,jetsdeplasma, etc.).Ilestdoncnécessairede caractériserau mieuxcelui-ci.
Figure1Jetdeplasmasoumisau champmagnétiquesolaire(image NASA/SDO/AIA)
DanslespartiesIetII,on déterminel’eetdun champmagnétiquesurlestrajectoiresélectroniquesau sein
desatomes(eetZeeman),puisdanslapartieIII on s’intéresseauxondesélectromagnétiquesproduitespar
detels systèmesetsurlafon delescaractériser.La partieIII estdansunelarge mesureindépendantedes
deuxpremières.
Lesdonnées sontregroupéesen fin dénon.Lesrésultatsnumériques serontdonnésavec un nombrede chires
signicatifscompatibleavec celuiutilisépourlesdonnées.
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Centrale Physique 2 PC 2012 — Énoncé 2/7
IAtomeisolé
Ons’intéresseau mouvementdun électron dun atome,supposéponctuel, demassemetde charge e,étudié
dansun référentielR=(Oxyz)galiléen.On noteMlaposition de cetélectron eton pose
OM=rþer.
Dansunepremièreapproche,on supposequelaforce quisexerce surl’électron seréduitàlaforce électrostatique
exercée par lenoyau,detype
þ
F=k
r2þer
Le noyau,demassetrès supérieureàlamassedesélectrons,pourraêtre considéré commexeàl’originedu
référentielR.
I.ADonnerl’expression dekdansle cas particulierdel’atomedhydrogène.
I.BMontrer,pourkquelconque,quelemouvementestplan.Onsupposerapar lasuiteque ce plan cncide
avec Oxy.
I.CMontrerquunetrajectoire circulairederayon aestpossible etdéterminerl’expression delavitesse
angulaire(ou pulsation)ω0del’électron pourcettetrajectoire circulaire.Onexprimeraω0enfonction dea,m
etk.
I.DPourun atomedhydrogène,donnerl’ordredegrandeurdeaeten déduirel’ordredegrandeurdeω0
dansce modèle.
Onadmettrapar lasuitequel’ordredegrandeurdeω0est1016 rad ·s1.
II Atomeplacédansun champmagnétique extérieur
Onsupposedésormaisquel’atome estplacédansle champmagnétique extérieurþ
B1=B1þezeton s’intéresse
àlamodication,sousl’eetde ce champmagnétique,du mouvementdel’électron.Pourlesapplications
numériques,on considèreraquel’ordredegrandeurdeB1nedépassepas ladizainedeTesla. Le référentiel
R=(Oxyz)est toujours supposégaliléen.
II.AMise enéquation
II.A.1) En notant toujoursþ
Flaforce exercée par lenoyau surl’électron,þaetþvrespectivementl’aclération
etlavitessedel’électron par rapportàR,déterminerlarelation entreþa,þ
F,þv,þω1=eþ
B1/m etm.
II.A.2) Préciser,enjustiantleraisonnement, ladimension deω1etdéterminerl’ordredegrandeurmaximal
deω10.
II.BÉtude gérale
Onintroduitun référentielRenrotation àlavitesseangulaireþω=ωþezuniforme.On noteþe
x,þe
yetþe
zles
vecteursunitairesliésàR,enrotation àþωpar rapportàR.Onsupposequàt=0lesdeuxréférentielsRet
Rcncidentetquàtoutinstantþe
z=þez.
Pourun pointMquelconque,on désignerespectivementpar þvetþvlesvitessesdu pointMpar rapportaux
référentielsRetRetpar þaetþalesaclérationsdu pointMpar rapportauxmêmesréférentiels.Pourun
vecteurþ
Uquelconque,on noteAdþ
U
dtBR
etAdþ
U
dtBR
lesdérivéesdeþ
UdanslesréférentielsRetR.
II.B.1) Déterminerlaprojection desvecteursþe
xetþe
ysurlabasedesvecteursþexetþey.
II.B.2) En déduirel’expression de3dþe
x
dt4R
enfonction deþωetþe
xuniquement,ainsiquel’expression de
3dþe
y
dt4R
enfonction deþωetþe
y.
II.B.3) Déterminerl’expression deþvenfonction deþv,þωet
OM.
II.B.4) Déterminerl’expression deþaenfonction deþa,þv,þωet
OM.
II.B.5) MontrerquepourunevaleurparticulièreþωLdeþω,on a:
þa=þ
F
m+þωL1þωL
OM2
etpréciserl’expression deþωL(pulsation deLarmor)enfonction deþω1.
II.B.6) Onadmetquelaforce þ
Fconduit,enl’absence de champmagnétiqueþ
B,àdestrajectoiresélectroniques
circulairesdepulsation ω0dansR.En déduirequeletermeþωL1þωL
OM2estnégligeabledevantleterme
þ
F/m etécrirel’équation diérentielleapprochée vériée par þa.Commenter.
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Centrale Physique 2 PC 2012 — Énoncé 3/7
II.B.7) OnconsidèrelestrajectoirescirculairesdansleréférentielRquisontcontenuesdansun plan or-
thogonal au champmagnétiqueþ
B1.Montrerquelerésultat précédentpermetdeprédirel’existence,dansR,
demouvementscirculairesdesensopposésetdepulsationsω+etω(on choisiraω+>ω>0)etdonner
l’expression de cespulsationsenfonction deω0etω1.Représenterdansleplan 0xycestrajectoiresen précisant
danschaque cas les sensdeparcours.
II.B.8) OnconsidèrelestrajectoirescirculairesdansleréférentielRquisontcontenuesdansun plan contenant
le champmagnétiqueþ
B1(on peutpar exempleprendredestrajectoiresdansleplan Oxz).On notealerayon
delatrajectoire.Déterminerl’expression descoordonnéesx(t)etz(t)enfonction deaetω0.Montrerque,
dansR, lemouvementpeutsevoircommelasuperposition dun mouvementsinusdal selon Ozetdedeux
mouvementscirculairesdansleplan Oxy,donton préciseralescaractéristiques.
II.B.9) Onconsidère enfin le cas dunetrajectoire circulairedansRdansun plan dontlanormalefait
avec l’axeOzun angleαquelconque.Décrirequalitativementl’évolution,dansleréférentielR,du plan dela
trajectoire etpréciseren particulierlasurfacedécritepar levecteurþ
L(O)=
OMmþv.Montrerquedansle
cas du mouvementcirculairequelconquedansR,on peut toujoursdécomposerlemouvementdansRen deux
mouvementcirculairesetun mouvementrectilignedepulsationsdiérentesquel’on précisera.
II.CAspecténertique
Danscettesouspartie,on seplacedansleréférentielRgaliléeneton considèrequel’électron soumisàlaforce
þ
Fetplacé éventuellementdansle champmagnétiqueþ
B1aunetrajectoire circulairedansleplan Oxyàla
pulsation ω(àpriori iciquelconque).
II.C.1) Variation dénergiemécanique
a)Déterminerl’expression del’énergiepotentielleEpassociée àlaforce þ
F.
b) En déduirel’expression del’énergieE=Ec+Epdel’électron dansle cas particulierdu mouvementcirculaire
depulsation ωenfonction dem,ωetk.
c) Onconsidèrel’évolution delatrajectoiredun électron entreunerotation circulaireuniformeàω0dansle
plan Oxyenl’absence de champmagnétique etunerotation circulaireuniformeàω+=ω0+ω1/2dansleplan
Oxyen présence du champmagnétiqueþ
B1.Onsupposeω1ω0.Calculerl’expression approchée delavariation
relativeE/E del’énergieEentre cesdeuxétats.Onexprimeralerésultat enfonction ω0etω1uniquement.
d)Cettevariation dénergiepeut-elleavoirété causée par laforce dueau champmagnétique?Justierbriève-
ment.
e) Proposerune explication qualitativedescausesde cettevariation dénergie.
II.C.2) Étudedu régimetransitoire
Ons’intéresseiciàl’évolution du champmagnétiquedanslequelestplacél’atome.On noteþ
B=B(t)þezla
valeurinstantanée du champmagnétique,B(t)variantde0àB1.Onconsidèreque ce champestuniforme.On
cherchel’expression du potentielvecteurþ
Aduqueldérivele champmagnétique.Onseplace encoordonnées
cylindriquesdaxeOz(cfgure6)eton impose,dunepartlanullitédu potentielsurl’axe etdautrepart, la
relation dejauge deCoulomb divþ
A=þ
0.
a)Préciserlesdépendancesencordonnéesde chaque composantedu potentielvecteur.
b) Déterminerl’expression deþ
A.
Onsupposequel’établissementdu champmagnétiqueBestsusammentlentpourquel’évolution dela
trajectoiredun électron surunepériodesoitfaible etquel’on puisse considérercelle-ciquasicirculaire.On
supposerademêmequelemomentcinétique enOdel’électron variepeulorsdel’établissementdu champ,de
sortequon pourra à toutinstantle confondreavec lemomentcinétiqueinitial.
c) Montrerquelaquantitérvpeutalorsêtre considérée constante.On noteraCcettevaleur.
d)Déterminerletravail infinitésimal ru par un électron pendantdtlorsdel’établissementdu champmagné-
tique,auxforcesautresquel’attraction électrostatique exercée par l’atome.
e) En déduirel’expression du travailtotal Wde cesforceslorsdel’établissementdu champetexprimerWen
fonction dee,CetB1.
f)Comparerl’expression deWàlavariation Edénergiemécaniqueobtenueprécédemment.Commenter.
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Centrale Physique 2 PC 2012 — Énoncé 4/7
III Étudedesondesélectromagnétiquesémises
III.AStructuredelonde émise
Ons’intéressedanscettepartieauxondesélectromagnétiquesémisespar un système constituéduneparticule
xede charge e,placée àl’origineOdu référentieldétude etduneparticulemobilede charge eplacée enM.
Onsupposequelescoordonnéesdu pointMsontdelaforme:
x(t)=acos(ω+t)+bcos(ωt)
y(t)=asin(ω+t)bsin(ωt)
z(t)=ccos(ωt)
avec ω+=ω+ω1/2etω=ωω1/2.
On donnedeplus,pourun dipôle électriqueþp(t)variableplacé enO, l’expression du champélectromagnétique
créé par ce dipôleàl’instantten un pointM«trèséloigné» du dipôle:
þ
E(M,t)=K
r5A3d2þp
dt24tr/c
OMB
OM,þ
B=þerþ
E
c
avec Kconstant,
OM=rþeretlanotation 3d2þp
dt24tr/c
signiequeladérivée doitêtre estimée àl’instant
tr/c.
Enfin on introduitlesvecteursunitairesþe+(t)=cos(ω+t)þex+sin(ω+t)þeyetþe(t)=cos(ωt)þexsin(ωt)þey.
III.A.1) Onconsidèreun dipôlededirection xeþp=p(t)þez.Déterminerl’expression du champélectrique créé
par ce dipôle en un pointMquelconque enfonction descoordonnées sphériquesrelativesàM(cfgure7).
III.A.2) Proposeruneinterprétation qualitativedu termetr/c.
III.A.3) Montreràl’aidedeschémas quelesystèmedesdeuxchargesprécédemmentdéfinipeutêtrevucomme
lasuperposition dedeuxdipôlesdenorme constantetournantensensopposésdansun plan P1etdun dipôle
oscillantdemanièreharmoniqueorthogonalementàP1.Préciserleplan P1.
III.A.4) On prend un pointM1del’axeOxsituéàgrandedistance deO.Déterminerl’expression du champ
électriquerayonnépar lesystèmedeschargesau niveau du pointM1.Onexprimerale champenfonction deK,
e,r,a,b,c,ω,ω+,ω,cos(ω(tr/c)),sin(ω+(tr/c)) etsin(ω(tr/c)).Montrerque ce champ peutêtre
vucommelasuperposition detroischampsdepolarisationsrectilignesetdepulsationsdiérentesetpréciser
surun schéma.
III.A.5) On prend maintenantun pointM2del’axeOzsituéàgrandedistance deO.Déterminerdemême
l’expression du champélectriquerayonnépar lesystèmedeschargesau niveau du pointM2.Montrerque ce
champ peutêtrevucommelasuperposition dedeuxchampspolariséscirculairementdepulsationsdiérentes.
Précisersurun schéma.
III.A.6) La gure2représenteunepartiedu spectredémission pourun mélange datomesdhydrogène
(nombrede charge Z=1,nombredemasseA=1)etdedeutérium(nombrede charge Z=1,nombre
demasseA=2)placédansun champmagnétique extérieur.La direction dobservation estperpendiculaireau
champmagnétique.L’axedesordonnéesreprésenteunegrandeurproportionnelleàl’intensité.Onobservedeux
groupesdetroisraiesdémission, ladiérence d’intensitérelativede cesraiesestdueàdeseetsdonton na
pas tenu comptedanscette étude.
a)Expliquerqualitativementlaprésence de cesdeuxgroupes.
b) Ons’intéresseuniquementauxraiescomprisesentrelestraitsverticauxen pointillé.On noteλ0lalongueur
donde émise enl’absence de champmagnétique etλl’écartmaximal entrelesraiesémisesen présence de
champmagnétique.Onaλλ0.Déterminerl’expression approchée del’intensitéB1du champmagnétique
régnantau voisinage del’atome émettantce rayonnementenfonction dem,e,λ0,λetdelaléritédesondes
électromagnétiquesdanslevidec.Fairel’application numérique.
III.BÉtudedunpolarimètre
III.B.1) ParamètresdeStokes
Pouruneonde électromagnétiqueplaneprogressiveharmoniquesepropageantselon l’axeOzdanslesensdes
zcroissants,on donne en notation complexe
þ
E=
A
B
0
ei(ωtkz)
On définitdemêmequatreparamètres,appelésparamètresdeStokespar lesrelations:I=AA+BB,
Q=AABB,U=AB+AB,V=i(ABAB).
a)Onconsidèreuneondepolarisée rectilignementcaractérisée par son amplitudeE0etpar l’angleαentrel’axe
Oxetladirection du champélectrique.Déterminerl’expression desparamètresdeStokesrelatifsàcetteonde.
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Centrale Physique 2 PC 2012 — Énoncé 5/7
656,0656,1656,2656,3656,4
0
1
2
3
4
λ(nm)
Intensitérelative
Figure2SpectreZeeman dun mélange hydrogènedeutériumdaprès
C.C.Chu etJ.D.HeyContrib.PlasmaPhys.40(2000) 5–6, 597–606
b) Mêmequestion pouruneondedamplitudeE0depolarisation circulairedroite.
c) On donne enfin uneondedontlesparamètresdeStokes sontles suivants:I=E2
0,Q=0,U=0,V=E2
0.
DéterminerlesamplitudescomplexesAetBde cetteonde etdéterminersapolarisation.
Onadmettrapar lasuitequeladonnée desquatreparamètresI,Q,U,Vpermetsystématiquementdefaire
cettedétermination.
III.B.2) Dispositifàlamesàretard
Onconsidèreun dispositifconstituédedeuxlamesàretardL1,L2etdun polariseurPtousorthogonauxà
l’axeOz.Onétudiel’action de ce dispositifsuruneonde électromagnétiqueplaneprogressiveharmoniquese
propageantselon l’axeOzdanslesensdeszcroissants,dontlanotation complexe est toujours
þ
E=
A
B
0
ei(ωtkz)
z
x
y
L1
x
x
y
y
L2
π/4
P
Axelent
Figure3
La lameL1(respectivementL2)comporteun axelentetun axerapide, lapropagation delacomposantedu
champélectrique colinéaireàl’axelentsefaisantavec un retard dephaseϕ1(respectivementϕ2)par rapportà
lacomposante colinéaireàl’axerapide.Cettepropagation seectuesansaucuneatténuation.L’axelentdeL1
estselon Ox,celuideL2faitun angleβ= +π/4avec l’axeOxetlepolariseurasadirection depolarisation
colinéaireàOx.
a)Déterminerdanslabase(þex,þey,þez),àun termemultiplicatifprès, l’expression descoordonnéesdeþ
E1,
amplitude complexedu champensortiedelalameL1.
b) Déterminerdemêmedanslabase(þe
x,þe
y,þez)issuedunerotation π/4delabase(þex,þey,þez),àun terme
multiplicatifprès, l’expression descoordonnéesdeþ
E2,amplitude complexedu champensortiedelalameL2.
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