Physique Ex Chapitre 15

Transferts quantiques d’énergie et dualité onde-particule Chapitre 15 Activités Ondes ou particules ? Les physiciens n’y voient pas clair Sni* to View au début du XXe siècl XVIIe XVIIIe siècle NEWTON Modèle particulaire et XIXe siècles YOUNG, FRESNEL, MAMELL Modèle ondulatoire XXe orn aspect particulaire. De la dualité onde-particule à l’aspect probabiliste de la mécanlque quantique (p. 377) 1 Dans chacune des expériences, on utilise des fentes d’Young parallèles. a première figure d’interférences est obtenue en éclairant les fentes de façon continue avec un laser.

Dans les deux autres, les fentes sont bombardées photon par photon (doc. 3) ou électron par électron (doc. 4). Les figures du document 4 sont obtenues lors de trois expériences de durées plus ou moins grandes. 2 La détection des photons, à des endroits précis, semble montrer l’aspect particulaire. L’obtention de figures d’interférences fait penser à un aspect ondulatoire. 3 L’obtention de points d’impact met en évidence l’aspect particulaire. Cependant, les électrons donnent aussi des figures d’interférences.

Les électrons ont également un aspect ondulatoire. a. Les électrons et les photons n’ont pas la même vitesse de propagation. Les électrons, contrairement aux photons, possèdent une masse ; c’est pour cela qu’on les nomme particules de matière. b. Puisque le photon, contrairement à l’électron, est une particule sans masse, on ne peut pas le qualifier de « particule de matière ». 5 Les particules sont émises dans les mêmes conditions inltlales mals n’atteignent pas toutes le même point.

Or, des particules classiques émises dans les mêmes conditions ont la même trajectoire. Les points d’impact étant istribués sur l’écran de manière aléatoire, il n’est pas possible de prévoir le lieu d’im act d’une particu PAGF 7 l’écran de manière aléatoire, il n’est pas possible de prévoir le lieu d’impact d’une particule. Cependant, sur un nombre très grand, il semble posslble de déterminer la probabillté d’observer l’impact dune particule à un endroit donné de l’écran.

L’aspect probabiliste des phénomènes quantiques signifie donc qu’on ne peut pas prévoir la position précise d’une particule, mais seulement sa probabilité de présence en un lieu donné. C) Hachette Livre, 2012 – Physique Chimie Terminale S spécifique, Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit. 154 Laser, outil d’investigation et transmetteur d’information (p. 378-379) A Mesure de la distance entre deux sillons d’un CD ou d’un DVD 1 a. L’interférence observée a lieu entre les rayons issus de sillons consécutifs jouant le rôle de sources secondaires. . Des interférences constructives permettent d’observer une tache brillante sur l’écran. 3 a. Il existe une incertitude de mesure sur la longueur d’onde du laser (de l’ordre de 1,5 pm), sur la istance d entre le disque et l’écran et sur la distance x entre les deux taches lumineuses d’ordre ± 2 graduations 6 = 8,165 # 10-4 m 3 3 longueur d’onde devant les autres incertitudes. U(a) z 0,01 pm. pour le CD et le laser vert, Pour le CD et le laser rouge, U(a) = 0,01 pm. pour le DVD et le laser rouge, IJ(a) z 0,003 pm = 3 nm d.

Compte tenu de ce qui précède : Pour le CD et le laser vert, a ± 0,01) pm. Pour le CD et le laser rouge, a — (1 ± 0,01) pm. On note que les deux résultats de mesure de la distance a entre deux sillons consécutifs sont compatibles. our le DVD et le laser rouge, a = (746 3) nm. e. Pour améliorer la mesure, on peut la répéter plusieurs fois (ou regrouper les mesures des différents binômes du groupe, voire des classes) ou allonger autant que possible la distance disque-écran (ce qui augmente aussi x) dans le but de diminuer l’incertitude relative sur ces deux longueurs. La distance entre deux sillons consécutifs dans un DVD est environ deux fois plus petite que celle dans un CD (ceci permet une augmentation de la capacité de stockage, voir chapitre 21 Manuel numerique 2. 0 2 a. À, d et x sont des distances que l’on exprime vec la même unité (mètre ou sous-unités du mètre). 2 3 traits/mm (1 pm) : – Mesure avec un laser vert À x = 27 crn. On obtient a = 1,515 1 pm. = 532 mm, d = 36 cm et , = 25,2 cm – Mesure avec une diode laser À = 650 mm d et x = 23,5 cm- On obtient a Z Pour un DVD 1350 traits/mm (0,74 pm) : – Mesure diode laser À = 650 mm, d = 6,9 cm et x 24,5 cm.

On obtient a = 0,746 02 pm. b. IJ(À) est lue sur la notice du laser. Animation Fonctionnement et applications du laser. B Utilisation d’un laser pour transmettre une information ? distance 5 a. Lorsque le phototransistor est éclalré, la ension aux bornes du conducteur ohmique n’est pas nulle. b. Lorsque le phototransistor est dans l’obscurité, la tension aux bornes du conducteur ohmique est nulle. 6 D’après le document 8, pour le signal émis, 8,70 ms, soit T = 1,45 ms et 690 Hz. pour le signal reçu, 6T’ = 8,80 ms, soit T’ = 1,47 ms et 682 HZ. La transmission-réception PAGF s 3 très peu la diffraction est le phénomène limitant la résolution d’un instrument d’optique. 2 La longueur d’onde de l’onde de matière associée à un électron dans un mcroscope électronique est plus faible que les longueurs d’onde des radiations ppartenant au domaine du visible. Or, le pouvoir de résolution est de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde de l’onde utilisée dans un microscope. Celui du microscope électronique sera donc meilleur que celui d’un microscope optique. Hachette Livre, 2012 — physique Chimie Terminale S spécifique, 155 3 D’après la relation de de Broglie appliquée à un électron non relativiste, on a h = h . p me $ v De plus, ‘énergie cinétique de cet électron est mo • v Oc = 1 Sme $ v 2 On en déduit • h 2 $ me S L’application numérique d 3 mis en évidence grâce à l’observation de figures d’interférences u de diffraction. Pour observer le phénomène de diffraction, il faut qu’il existe une ouverture ou un obstacle dont les dimensions sont de l’ordre de celle de la longueur d’onde de l’onde étudiée.

D’après la relation de de Broglie, pour un atome de quantité de mouvement de valeur M v ne doit pas être trop petite, donc v ne doit pas être trop élevée. 7 À féchelle macroscopique, un échantillon de matière possède une masse beaucoup trop grande pour que le caractère ondulatoire de la matière soit perceptible (p. 387-398) QCM 5 a. Dans ce schéma, les électrons sont représentés ar de petites sphères. Cela fait penser à leur aspect particulaire. En revanche, les rayons X sont représentés sous forme de petites ondulations, ce qui met l’accent sur leur aspect ondulatoire. . Le terme « orbite synonyme de trajectoire, n’est pas approprié, car, à Péchelle microscopique, on ne peut que prévoir la probabilité de présence d’un électron (les phénomènes quantiques ont un caractère probabiliste) en un lieu donné. 1. A;2. C. Application immédiate 7 3 valeur de la quantité de mouvement de cet électron (non relativiste, v c) s’exprime par : pz me • v La relation de de Broglie permet de calculer la longueur d’onde de l’onde de matière associée : soit À = me$v 6, 63 # 10-34 = 3, 0410-10m. Schématiser l’effet laser 1. Ce laser émet dans le domaine des infrarouges (caractérisés dans l’air par une longueur d’onde supérieure à 800 nm). numenque 4 Interpréter l’expérience de Davisson Pour commencer 6 Connaitre les aspects de PAGF la quantité de mouvement est : p = m 9,11 # 10-31 # 3,00 # 104 z 9,00 # 10-27, soit envlron 10-26 kg • m • s-l. 2. D’après la relation de de Broglie, ona : 6, 63 # 10-34 6, 6 # 10-8 = 2, 2#10 -8 m. 10-26 10 Connaître l’aspect probabiliste 1.

D’après la figure 1, il est impossible de prévoir le lieu de l’impact du photon sur la cellule photosensible ; les impacts sont répartis aléatoirement sur l’écran. 13 Connaître quelques propriétés d’un laser Un laser est une source monochromatique, cohérente dont l’énergie est concentrée dans respace et dans le temps. Ce type de source émet un faisceau peu divergent. 14 Associer transition et radiation 1 . On peut citer les transitions entre niveaux d’énergie électronique et les transitions entre niveaux d’énergie de vibration. Si la radiation se situe dans l’infrarouge, une transition entre niveaux d’énergie de vibration lui est associée. 15 Étudier une transition . a. L’énergie du photon a pour expression : h – h$c OO#IO fentes. 3. Cette expérience illustre l’aspect probabiliste des phénomènes quantiques. 11 Utiliser un diagramme énergétique 1 . et rbp représentent les énergies de deux niveaux d’énergie d’une entité (atome, ion ou molécule). 2. La flèche rouge indique que l’entité passe d’un niveau d’énergie à un autre niveau d’énergie. Elle représente une transition énergétique.

Dans le cas du document, l’entité passe d’un niveau supérieur vers un niveau d’énergie plus faible. Pour s’entraîner 16 Dualité ou non dualité 1. On utilise la relation donnant la valeur de la quantité de mouvement p = m • v (les valeurs de vitesse sont négligeables devant c, on se place dans le cadre de la mécanique classique) et la relation de de Broglie : p (kg • m s-l) 3. Lors de cette transition du niveau d’énergie rbp vers le niveau d’énergie rbn, un photon, représenté par la flèche noire, est émis (émission spontanée). Boule de bowling 51 x 10-35 Moustique 10 rif 37