Lumière : Ondes et particules. |
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DS 01 : Le laser à Argon (50 min) :
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DS 01 : Le laser à Argon (50 min) : 1.
Domaine et fréquence : a.
Domaine du spectre des ondes
électromagnétiques :
-
Les différentes radiations appartiennent
au domaine du visible : 400 nm ≤ λ ≤ 800 nm ou 380 nm ≤ λ ≤ 780 nm ou encore 400 nm ≤ λ ≤ 780 nm b.
Fréquence de la radiation correspondante à la
raie N° 4 :
-
Longueur d’onde de la radiation N° 4 :
-
λ4
= 488,0 nm
-
Relation :
-
2. Expression de l’énergie E transportée par un photon en fonction de la longueur d’onde λ de la radiation
associée.
-
Relation :
- 3.
Identification de la longueur d’onde de la
radiation associée au photon :
-
Les grandeurs
h et c sont des
constantes :
-
Il découle de ceci que l’énergie
E transportée par un photon
est inversement proportionnelle à sa longueur d’onde
λ.
-
L’énergie
E transportée par le photon
est d’autant plus grande que sa longueur d’onde
λ est petite.
a.
La plus grande énergie : photon (A) :
-
La radiation associée au photon (A)
qui transporte la plus grande énergie est la N° 9.
-
λA
= 454,5 nm
b.
La plus petite énergie : photon (B) :
-
La radiation associée au photon (A)
qui transporte la plus petite énergie est la N° 1.
-
λB = 514,5 nm
4.
Valeurs des énergies EA et
EB transportées par ces photons.
-
Valeur de l’énergie EA :
-
-
Valeur de l’énergie EB :
-
5.
Transitions énergétiques. a.
La « quantification » de l’énergie :
-
L’atome ne peut exister que dans certains états d’énergie ou niveaux
d’énergie bien définis. - Un photon de fréquence ν est émis lorsque l’atome effectue une transition d’un niveau d’énergie Ep vers un niveau inférieur En tel que :
- Ep -
En = h . ν
-
Il résulte de ceci que les énergies d’un atome sont quantifiées.
b.
Relation entre l’énergie E des photons
émis et la différence d’énergie ΔE = | E4p –
E4s | des niveaux 4 p et 4 s de l’argon ionisé.
-
Ephoton
= ΔE4p→4s = | E4p
– E4s |
c.
Valeur, en électronvolt, des énergies des
niveaux excités 4 p, notées :
-
Il s’agit d’une émission d’un photon lors
de la transition du niveau 4 p vers le niveau 4s.
-
On connait :
E4s
= – 10,48 eV
-
E4pmax
dans le cas du photon (A) :
-
E4pmax
– E4s =
EA
-
E4pmax
= E4s +
EA
-
E4pmax
≈ – 10,48 + 2,74
-
E4pmax
≈ – 7,74 eV
-
E4pmin
dans le cas du photon (B) :
-
E4pmin
– E4s =
EB
-
E4pmin
= E4s +
EB
-
E4pmin
≈ – 10,48 + 2,42
-
E4pmin
≈ – 8,06 eV d.
Diagramme simplifié de ces niveaux d’énergie et
représenter les transitions correspondant aux photons (A) et (B).
-
L’énergie de l’état fondamental de l’ion
argon Ar+ est
E1 = – 27,62 eV.
6.
Puissance du laser : a.
Vérification que le produit N . h
. ν s’exprime avec l’unité de
puissance:
-
La puissance P du laser, à une
fréquence ν, est donnée par la relation :
-
P
= N .
h . ν
-
N
est le nombre de photons émis par seconde.
-
Analyse dimensionnelle simplifiée :
-
-
Le produit
N .
h . ν s’exprime bien
avec l’unité de puissance.
-
La relation est cohérente. b.
Valeur du rapport
-
P
= N .
h . ν
-
Dans cette relation, on peut remplacer la
fréquence par la longueur d’onde :
-
-
Pour la radiation N° 1
-
-
Pour la radiation N° 4
-
-
On peut en déduire l’expression de
-
-
Application numérique :
-
7.
Autre type d’ondes électromagnétiques utilisées
en médecine. - Ordre de grandeur du type d'onde électromagnétiques utilisé par le laser à Argon : 1015 Hz
- On peut utiliser les rayons
X pour les radiographies (1018 Hz), les ondes dans le
domaine des IR pour les scanners corporels (1012 Hz),…
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