Ondes et particules, lasers

Ondes et particules, lasers
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PLAN
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Dualité onde-particule
A) Je sais énoncer que la lumière présente une dualité
La lumière peut être décrite selon deux aspects en fonction de la situation
rencontrée :
ondulatoire : la lumière est présentée comme une onde électromagnétique
(interférences et diffraction possibles)
particulaire : la lumière est présentée comme un flux de particules appelées
photons et d’énergie E photon
= h×ν
remarque : l’hypothèse du photon a permis d’interpréter l’effet photoélectrique
B) Je connais et je sais utiliser la relation de De Broglie
De Broglie a étendu cette dualité en associant à toute matière une onde, appelée
onde de matière, dont la longueur d’onde s’exprime par : λ =
h
​ avec :
p
λ la longueur d’onde en m
p la quantité de mouvement en kg.m.s-1
h la constante de Planck en J.s
C) Je sais identifier les situations où le caractère ondulatoire de la
matière a un sens
Pour que l'onde associée à une particule ait un sens, il faut qu'elle puisse être
diffractée.
Cela suppose que
λ soit assez grand, sinon aucun obstacle de dimension inférieure
n'existera.
Pour que λ soit assez grand, il faut que
p soit très faible :
cas des particules légères ou animées de faible vitesse
ex. : électron, proton, neutron, atome froid, etc.
D) Je connais les concepts d’interférences et d’aspect probabiliste
De nombreuses expériences mettant en jeu des photons, des électrons, etc. montrent
que l'on ne peut pas prévoir à l'avance leur comportement.
Dans une expérience d'interférence avec fentes d'Young, par exemple, on ne peut
prévoir le point d'impact sur l'écran. En revanche, on peut déterminer la probabilité
pour qu'une particule arrive en tel ou tel point.
Le comportement d'une particule est probabiliste.
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Transferts quantiques d’énergie : principe du laser
A) Je connais les différents types de transitions quantiques
absorption quantique :
un atome d’énergie
Einf peut absorber un photon, il passe alors à un niveau
d’énergie supérieur E sup.
Il n’y a interaction que si le photon vérifie
Ephoton = Esup − Einf = h × ν .
L’atome passe alors dans un état excité.
émission quantique :
un atome d’énergie
Esup peut émettre un photon, il passe alors à un niveau
d’énergie inférieur E inf.
Il n’y a émission que si le photon vérifie
Ephoton = Esup − Einf = h × ν .
On dit alors que l’atome se désexcite.
émission stimulée :
un atome au préalable dans un état excité (E sup) peut interagir avec un photon
bien adapté et émettre ainsi un photon identique au précédent.
Il se désexcite vers un niveau d’énergie inférieur
Einf.
B) Je connais les différentes étapes de fonctionnement du laser
amplification d’une onde lumineuse : action de multiplier les ondes lumineuses
identiques au sein d’un dispositif adapté
oscillation optique : les ondes lumineuses font un mouvement d’aller-retour entre
deux parois réfléchissantes
C) Je connais les principales propriétés du laser
directivité : tous les photons se propagent dans une seule direction
monochromaticité : la lumière émise n’a qu’une seule longueur d’onde propre à
chaque laser
concentration spatiale de l'énergie
concentration temporelle avec les lasers à impulsion
D) Je sais associer un domaine spectrale à la nature de la transition
mise en jeu
Comme les atomes, une molécule peut également être en interaction avec une onde
électromagnétique ce qui peut entraîner des modifications au sein de celle-ci.
transition d’énergie électronique :
modification des niveaux d’énergie des électrons de valence de la molécule
transition énergétique de l’ordre de
1 eV
domaine UV-visible
transition d’énergie vibratoire :
modification des angles et des longueurs de liaison au sein de la molécule
transition énergétique de l’ordre de
domaine des infrarouges
0, 1 eV
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EN PRATIQUE
Dualité onde-particule
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JE SAIS
Identifier les situations où le caractère ondulatoire de la matière a un
sens
L’onde de matière a un sens que si λ ≥ a (a la largeur d’un obstacle) car le caractère
ondulatoire est alors associé à des phénomènes de diffraction et d’interférences :
calcul de
λ par la loi de De Broglie
en déduire la plus grande valeur de
a telle que a ≤ λ
si la largeur d’un obstacle est inférieure à la taille d’une particule, l’onde de matière n’a
aucun sens.
Transferts quantiques d’énergie, principe du
laser
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JE SAIS
Identifier les différents transferts quantiques
Absorption
Émission
Émission
quantique
quantique
stimulée
État initial
Stable
Excité
Excité
État final
Excité
Stable
Stable
Photon incident ?
Oui
Non
Oui
Photon émis ?
Non
Oui
Oui
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FORMULES
Relation entre quantité de mouvement, masse et vitesse
p la quantité de mouvement en kg.m.s-1
v la vitesse en m.s-1
m la masse en kg
p = m×v
Relation de De Broglie
λ la longueur d’onde en m
p la quantité de mouvement en kg.m.s-1
h la constante de Planck en J.s
h
p = λ​
Relation entre énergie du photon et fréquence
Ephoton l’énergie du photon en J
h la constante de Planck en J.s
ν la fréquence de l’onde
​ = h×ν
Ephoton
électromagnétique en Hz
Relation entre fréquence et période
ν la fréquence de l’onde en Hz
T la période en s
1
ν = T​
Relation entre célérité, période et longueur d’onde
c la célérité de l’onde en m.s-1
λ la longueur d’onde en m
T la période en s
c
λ = T × c = ν​
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VALEURS
−34
6, 63 × 10 ​ J.s
−8
3, 00 × 10 ​
m.s-1
Constante de Planck
Célérité d’une onde électromagnétique
dans le vide
1 eV
−19
= 1, 6 × 10 ​ J
−10
Équivalence entre électron-volt et Joule
Ordre de grandeur de la dimension d’un
atome
−14
10 ​ m
−9
10 ​ m
Ordre de grandeur de la dimension d’un
noyau
Ordre de grandeur de la dimension d’une
molécule
100 - 400 nm
400 - 800 nm
10 ​ m
Domaine de longueurs d’onde des ondes
électromagnétiques ultraviolettes
Domaine de longueurs d’onde des ondes
électromagnétiques visibles
−27
800 - 1000 nm
1, 67 × 10 ​ kg
Domaine de longueurs d’onde des ondes
électromagnétiques infrarouges
Masse d’un proton ou d’un neutron
−31
9, 11 × 10 ​ kg
Masse d’un électron
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DÉFINITIONS
Énergie du photon Ephoton en J ou en eV
Énergie associée à un photon.
Fréquence de l’onde électromagnétique ν en Hz
Nombre de perturbations sinusoïdales identiques de l’onde par unité de temps.
Longueur d’onde λ en m
Plus petite distance au bout de laquelle la perturbation est reproduite identique à elle-même. Au
bout d’une longueur d’onde, l’amplitude de l’onde prend de nouveau la même valeur. C’est aussi
la distance parcourue en une période.
Période de l’onde électromagnétique T en s
Plus petite durée au bout de laquelle la perturbation se répète identique à elle-même.
Quantité de mouvement p en kg.m.s-1
C’est le produit de la masse par la vitesse pour toute particule ayant une masse.