Chapitre 12 : Introduction à la physique quantique








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Chapitre 12 : Introduction à la physique quantique

Objectif :

  • Connaitre le principe de l’émission stimulée et les principales propriétés du laser.

  • Associer un domaine spectrale à un type de transition savoir que la lumière peut être considérée comme une onde ou comme un corpuscule.

  • Connaitre et utiliser la formule p = h/λ



  1. Transfert d’énergie quantique :

  1. Emission et absorption de photons par les atomes :

Def : La matière peut absorber ou emmètre des rayonnements électromagnétiques. Au niveau microscopique on observe des transitions énergétiques au niveau des atomes.

Schéma absorption et émission

(E.F) E2


h.ν



EMISSION
(E.I) E1

Absorption d’une photo d’énergie h x ν (on monte en énergie)

Emission d’une photo d’énergie h x ν (on descend en énergie)

Lors d’une absorption on passe du niveau fondamental (stable pour l’atome) à des niveaux excités (instables pour l’atome). Au maximum on peut ioniser l’atome en lui arrachant un électron.

ΔE (J)= E2 – E1 = h x ν(Hz)

h = constante de planque = 6.63 x 10-34 J x s

Cette énergie est quantifiée (un atome de changera de niveau d’énergie que si celle-ci correspond exactement à la différence E2 –E1).

Remarque : 1 eV = 1,60 x 10-19 J

λ = C x T = C / f = C /ν

Calculer l’énergie associée à un photon de longueur d’onde λ = 390 nm en eV.

ν = C / λ =3,00 x108 / 390 x 10-9 = 7, 69 x 1014 (Hz)

6.63 x 10-34 x 7, 69 x 1014 = 5.09x10 -19 J

Ans /1.60 x10-19 = 3.19 eV

DOC 1

  1. Types de transition d’énergie et domaines spectraux :

DOC 2

  1. La lumière Laser :

  1. Définition

L.A.S.E.R = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations

Def : Le laser utilise un pompage optique pour effectuer une intensité de population de manière à ce que de nombreux d’atomes soit dans un niveau d’énergie excité E2 et un dans l’état fondamental E1. Ceci permet l’émission stimulé de photons par un grand nombre d’atomes qui donne naissance au faisceau laser.

L’émission est dite stimulée car elle n’a pas lieu spontanément, elle doit être initiée puis elle est suivie d’une réaction en chaine.

1) E2

E1

2) E2

DOC 3

Le laser est aussi un amplificateur de lumière grâce au milieu actif (ensemble d’atomes qui subissent l’invention de population) placé dans une cavité entre 2 miroir parallèles, chaque photon fait plusieurs allé retour donnant lieu à un nombre important d’émissions stimulées. L’un des 2 miroirs étant semi transparent, une partie du rayonnement s’échappe de la cavité et forme le laser.

DOC 4

  1. Caractéristiques du faisceau Laser :

  • Monochromaticité du faisceau :

La lumière laser n’est pas dispersée par un prisme : son spectre ne comporte qu’une seule raie, cette lumière est donc monochromatique.

Le laser (He-Ne) est rouge de longueur d’onde λ =632,8 nm. On utilise la monochromaticité du laser pour mesurer des vitesses par effet Doppler.

  • Concentration spatiale et temporelle de l’énergie :

Le laser délivre un faisceau de lumière très directif et donc très puissance, même à une grande distance de la source. C’est pour cela qu’il ne faut pas le diriger vers l’œil sinon on risque d’endommager la rétine par brulure

Rq 1 : Le faisceau laser étant une source cohérente (tous les atomes oscillent en phase) on obtient facilement des interférences avec celui-ci (fentes d’Young) et on l’utilise pour lire les Cd et les DVD. Certains laser dit pulsés émettre une radiation de puissance incomcidérable pendant une durée très brève. On les utilise dans la fusion thermonucléaire, pour la soudure ou le découpage de métaux ou encore en médecine comme bistouri.

  1. Dualité onde-corpuscule :

  1. De la lumière :

Les ondes mécaniques progressives peuvent donner lieu à de la diffraction ou des interférences. Or de la lumière aussi, elle se comporte comme une onde dans certaines conditions. Cette modélisation ne permet pas d’expliquer l’effet photo-électrique (arracher un électron à une surface métallique frappé par un rayonnement électromagnétique). Il faut admettre que la lumière ce comporte alors parfois comme un ensemble de grains lumineux appelé des photons permettant d’expliquer les quantums d’énergie.

Le photon est une particule associé à une onde électromagnétique de fréquence ν, il y une charge électrique et une masse nulle, et ce déplace dans le vide avec une vitesse c = 3.00 x108 m.s-1.

  1. Dualité onde-crépuscule :

DOC 5

  1. Relation de Louis de « Broglie » (de Breuil)

La relation de Louis de Breuil associe une onde de longueur d’onde λ à une particule matérielle de quantité de mouvement p-> telle que

p (kg.m.s-1) = h (cste de Planck) /λ (m) = h x ν(Hz) / c = E /c

Ex : calculer λ de Broglie associé à un électron de masse me = 9.11 x 10-31 Kg et de vitesse 1.50 x104 m/s

p = me x v = 1.37 x 10-26 kg.m/s

λ = h / p = 4.85 x 10-8 m => 48.5 nm

On est dans l’U.V.

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