MPSI2, Louis le Grand Devoir en temps libre no2: Mécanique quantique Pour le lundi 5 octobre
Correction du problème 1
I Absorption d’un photon
I.1. On a Ep=hc/λ= 2π}c/λet pp=h/λ= 2π}/λ.
I.2. (a) On a λ0=c/ν0. Pour λ0'600nm, on calcule : (Ef−Ei)'2,1eV.
(b) Avant absorption du photon, on a :
ptot =pp+ 0 = h
λ
(c) La variation ∆Eade la somme des énergies cinétique et interne de l’atome est :
∆Ea= Ee−Ef+p2
x
2m−0 = hν0+p2
x
2m.
(d) Après absorption du photon, on n’a plus que l’atome, dont la quantité de mouvement est pxselon
#»
ex. Les quantités pxet λvérifient donc :
px=h
λhν0+p2
x
2m=hc
λ.
(e) En négligeant p2
x/(2m), on a hν0=hc/λ, soit λ=λ0et donc px=h/λ0. On vérifie cette hypothèse
en comparant hc/λ0et (h/λ0)2/(2m) :
(h/λ0)2/(2m)
hc/λ0=h
2mcλ0= 1 ·10−10.
L’énergie cinétique de l’atome est bien négligeable devant sa variation d’énergie interne.
(f) Si on peut négliger l’effet Doppler, l’atome en mouvement voit toujours un photon de fréquence
c/λ. Le bilan s’effectue de la même manière que précédemment : en négligeant la variation d’éner-
gie cinétique de l’atome la conservation de l’énergie s’écrit assure que l’énergie du photon émis
est hν0et la conservation de la quantité de mouvement assure que celle de l’atome doit varier de
−h/λ0#»
ex.
L’effet Doppler traduit le fait que la fréquence de l’onde lumineuse perçue par un atome en
mouvement dépend de la vitesse relative de l’onde et de l’atome. Si l’atome se déplace à des
vitesses non relativistes, on peut négliger sa vitesse devant celle de la lumière et donc négliger
l’effet Doppler.
I.3. (a) On a vx=px/m =h/(mλ0) = 29mm ·s−1.
(b) Chaque absorption communique la même vitesse selon +#»
ex. En revanche le caractère aléatoire de
la direction des émissions assure que la somme vectorielle des vitesses acquises par les émissions
est nulle. En moyenne, l’atome aura donc acquis la vitesse Nh/(mλ0).
Remarque : Ce phénomène est utilisé pour ralentir de manière très efficace un jet de gaz ato-
mique avec un laser contrapropageant. Dans les conditions expérimentales, la vitesse des atomes
selon #»
exest très importante (de l’ordre de plusieurs centaines de m ·s−1) et à l’issue d’un très
grand nombre de cycles d’émission/absorption on arrive à une vitesse de l’ordre u m ·s−1. La
durée totale reste cependant très faible car chaque cycle dure quelques dizaines de ns. On peut
ainsi arrêter un jet sur une distance de quelques m. L’effet Doppler n’est cependant pas négli-
geable pour les plus grandes valeurs de la vitesse et on doit changer les niveaux d’énergie de
l’atome et donc la fréquence ν0au fur et à mesure que l’atome ralentit au moyen d’un champ
magnétique. Cette technique porte d’ailleurs le nom de «ralentissement Doppler».
II Diffraction de Bragg
II.1. L’énergie totale du rayonnement lumineux varie de h(ν2−ν1) puisque qu’on absorbe un photon ν1
pour produire un photon ν2. Elle est donc nulle si ν1=ν2. Comme la variation d’énergie de l’atome
est positive puisque son énergie interne croît et qu’il acquiert une énergie cinétique, l’énergie totale
ne pourra pas être conservée.
II.2. (a) Sur l’ensemble du processus d’absorption/émission, l’énergie interne de l’atome ne change pas
et la conservation de l’énergie s’écrit, en notant pxla quantité de mouvement qu’il a acquise :
h∆ν =h(ν1−ν2) = p2
x
2m
Les photons absorbés et émis le sont dans des directions opposées. La variation de la quantité
de mouvement du rayonnement est donc −h/λ2#»
ex−h/λ1#»
exet la conservation de la quantité de
mouvement globale s’écrit :
px=h 1
λ1+1
λ2!=h
c(ν1+ν2).
(b) En supposant les fréquences proches, on a ν1+ν2'2ν0= 2c/λ0et donc :
h∆ν =(2h/λ0)2
2m=2h2
mλ2
0
∆ν =2h
mλ2
0
.
L’atome a acquis la quantité de mouvement p0= 2h/λ0.
(c) On calcule ∆ν = 1,0·102kHz et v0=p0/m = 5,9·10−2m·s−1. La grandeur ∆ν est bien négli-
geable devant la fréquence ν0=c/λ0= 5,1·1014 Hz, il était tout à fait légitime d’approximer
ν1+ν2par 2ν0.
II.3. (a) On observe que la distance parcourue par la partie mobile croît proportionnellement avec la
durée ; sont mouvement est donc rectiligne uniforme. En considérant les images (b) et (e), elle a
parcouru 5,8·10−1mm en 10ms, sa vitesse est donc vx= 5,8·10−2m·s−1, soit une quantité de
mouvement px=mvx= 2,2·10−27 kg ·m·s−1. On peut calculer le quotient :
px
2h/λ0= 0,98.
La quantité de mouvement pxest donc bien du même ordre de grandeur que celle déterminée
précédemment mais légèrement inférieure. Pour l’affirmer avec certitude, il faudrait une préci-
sion de l’ordre du % sur la détermination de la vitesse, ce qui n’est pas tout à fait réalisé compte
tenu de la résolution des images.
(b) Si les deux faisceaux forment un angle θdéfini comme à la question III.2, la variation de la
quantité de mouvement des photons au cours du processus n’est plus que −2hsin(θ)/λ0puisque
seule leur composante (égale en valeur absolue à hsin(θ)/λ0) selon #»
exvarie. On peut donc di-
minuer arbitrairement la valeur de la quantité de mouvement acquise par l’atome. Pour obtenir
sin(θ)=0,99, il faut prendre θ= 80°.
Julien Cubizolles, sous licence http://creativecommons.org/licenses/by- nc- nd/2.0/fr/.3/42015-2016