Transferts quantiques d’énergie et dualité onde particule |
|
|
![]() |
QCM
N° 15 :
Transferts quantiques d’énergie et dualité onde
particule :
Pour chaque
question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).
Données :
1 eV = 1,60
× 10–19 J ; h =
6,626 × 10 – 34 J . s :
c = 3,00 × 108 m . s
– 1
me
= 1,67265 × 10–27 kg ; me
= 9,11× 10–31 kg |
|||||
|
Énoncé |
A |
B |
C |
R |
1 |
La
valeur p de la quantité
de mouvement d’une
particule est liée à sa
longueur d’onde λ par
la relation : |
|
|
|
A |
2 |
On
note pr la quantité de
mouvement d’un photon
de lumière rouge et pv la
quantité de mouvement
d’un photon de lumière
violette : |
pr
= pv |
pr
< pv |
pr
> pv |
B |
3 |
Le rapport
longueurs d’onde
associées à un
proton (mp = 1 u) et
à une particule α (
alpha : mα = 4 u)
est égal à 4
lorsqu’ils ont : |
La même
vitesse. |
La même
quantité de
mouvement. |
La même
énergie
cinétique |
A |
4 |
Les ondes de matière
associées à un électron
ou à un proton en
mouvement ont la même
longueur d’onde. |
Les deux
particules ont
des quantités
de mouvement
de même valeur. |
La valeur
de
la vitesse
de l’électron
est plus
importante
que celle
de la vitesse
du
proton. |
Les deux
particules ont
des vitesses
de
même
valeur. |
AB |
5 |
Une lumière
monochromatique
constituée de photons
d’énergie 2,5 eV
se situe : |
Dans le
domaine de
l’infrarouge. |
Dans le
domaine
du
visible. |
Dans le
domaine
des ultraviolets. |
B |
6 |
Dans un microscope
électronique, la
dimension du plus petit
objet observable
correspond à la longueur
d’onde du rayonnement
utilisé. Un faisceau
d’électrons se déplaçant à
4,0 × 105 m.s–1 permet
d’observer des détails de : |
2,4 × 10–58 m |
5,5
× 108 m |
1,8
× 10–9 m |
C |
7 |
L’image ci-dessous
représente une figure
d’interférences
photon par photon. |
Cette figure
illustre
l’aspect
probabiliste
d’un
phénomène
quantique. |
Cette figure
ne
permet pas
de connaître
le lieu
d’impact
de chaque
photon. |
Cette figure
met en évidence
la
dualité
onde-corpuscule. |
ABC |
8 |
Lors d’une émission
stimulée, un photon
d’énergie E est émis : |
Spontanément
par un atome
dans un état
excité. |
Lorsqu’un
photon d’énergie
E
est absorbé
par un atome
dans l’état
fondamental. |
Lorsqu’un
photon d’énergie
E
entre en
interaction
avec un atome
dans un état
excité. |
C |
9 |
Une inversion de
population est réalisée : |
Lorsque plus
d’atomes sont
dans un état
excité que
dans leur
état
fondamental. |
Lorsque plus
d’atomes sont
dans leur état
fondamental
que dans
un
état excité. |
Lorsqu’aucun
atome n’est
dans un
état excité. |
A |
10 |
Le laser émet
une lumière
monochromatique : |
Directive. |
Sélective. |
Cohérente. |
AC |
11 |
L’énergie mise en jeu
lors d’une transition
électronique est : |
Supérieure
à
celle mise
en jeu lors
d’une
transition
vibratoire. |
Égale à
celle mise
en jeu lors
d’une
transition
vibratoire. |
inférieure à
celle mise
en jeu lors
d’une
transition
vibratoire. |
A |
12 |
Une radiation d’énergie
vibratoire est associée
à une radiation : |
Ultraviolette. |
Visible. |
Infrarouge. |
C |
►
Valeur
p de la quantité de
mouvement d’une particule :
-
La dualité onde-corpuscule
conduit à associer une onde de longueur d’onde
λ à toute
particule, matérielle ou non, de quantité de mouvement
p
telle que :
|
La longueur d’onde λ en
mètre (m) |
La grandeur h est la
constante de Planck : h = 6,626
× 10 – 34 J.s |
La valeur de la quantité de mouvement p : kilogramme-mètre par seconde
(kg . m . s – 1) |
►
Quantité de mouvement d’une
particule matérielle :
-
À toute particule matérielle de
masse m animée d’une vitesse de valeur
v très
petite devant la célérité de la lumière, on associe une grandeur
physique appelée quantité de mouvement.
-
La valeur de la quantité de
mouvement, notée p est définie par la relation suivante :
p = m
. v |
La masse m en kilogramme
(kg) |
La vitesse v en mètre
par seconde (m . s – 1) |
La valeur de la quantité de mouvement p : kilogramme-mètre par seconde
(kg . m . s – 1) |
►
Quantité de mouvement et longueur
d’onde :
-
►
Longueur d’onde et vitesse :
-
-
En conséquence :
-
►
Énergie d’un photon.
-
L’énergie de la lumière est
transportée par des photons qui présentent un aspect
particulaire et un aspect ondulatoire.
-
L’énergie d’un photon est donnée
par la relation :
-
E =
h .
υ
-
L’énergie
E représente
l’aspect particulaire du photon.
-
La fréquence
υ représente son aspect ondulatoire.
-
Pour une onde électromagnétique
de fréquence
υ et de longueur d’onde
λ dans le vide,
-
On peut écrire :
|
La grandeur
h est la
constante de Planck :
h =
6,626
x 10 – 34
J.s |
La fréquence
n en hertz (Hz) La longueur d’onde dans le vide
λ en
mètre (m) |
La célérité de la lumière dans
le vide : c
= 3,00
x 108 m . s
– 1 |
Énergie
E en
joule (J) |
-
On peut en déduire la valeur de
la longueur d’onde de cette radiation :
-
-
Couleur de la radiation : elle
appartient au domaine du visible.
►
Longueur d’onde du faisceau
d’électrons :
-
Valeur de la quantité de
mouvement pour un électron du faisceau :
-
►
Phénomène d’interférence :
-
Le phénomène d’interférence met
en évidence le caractère ondulatoire des particules et ainsi la
dualité onde-corpuscule.
-
La dualité onde-corpuscule
conduit à associer une onde de longueur d’onde
λ à toute
particule, matérielle ou non, une quantité de mouvement
p :
-
-
Les phénomènes quantiques
présentent un aspect probabiliste : on peut au mieux établir la
probabilité de présence de la particule à un endroit donné.
►
Fentes d’Young.
-
On éclaire des fentes d’Young
avec une source lumineuse (Laser).
-
Un écran placé derrière les
fentes repère l’impact des photons. On observe une figure
d’interférence.
-
On diminue l’intensité de la
lumière de telle sorte que les photons arrivent par un sur les
fentes.
-
En raison de cette discontinuité,
on parle de phénomène quantique.
-
Dans ces conditions, on ne peut
pas prévoir le lieu de l’impact des photons sur l’écran.
-
Par contre, on peut établir une
probabilité de les observer à un endroit précis.
-
Pour un grand nombre d’impacts,
cette probabilité est maximale à certains endroits et minimale à
d’autres.
-
Avec cette expérience, on a mis
en évidence l’aspect probabiliste du phénomène.
-
Un atome excité émet un photon
grâce à la stimulation que provoque l’arrivée d’un photon de
même énergie que celui qu’il pourrait potentiellement émettre.
-
La particularité de ce type
d’émission est que le photon stimulé prend strictement les mêmes
caractéristiques (fréquence, direction et sens et phase) que le
photon incident.
-
Comme si le second était la
photocopie du premier.
-
Lors d’une émission stimulée, un
photon incident interagit avec un atome initialement excité et
provoque l’émission d’un second photon par cet atome.
-
L’émission stimulée est favorisée
par l’inversion de population.
-
L’inversion de population
consiste à maintenir plus d’atomes dans un état excité que dans
son état fondamental.
►
Principales propriétés du laser.
-
Un laser produit un faisceau
lumineux monochromatique dont tous les photons sont en phase.
-
Un laser produit un faisceau
lumineux cohérent.
-
Comme tous les photons se
propagent dans la même et dans le même sens, le faisceau produit
par un laser et très directif.
-
Un faisceau laser est :
-
Directif, intense,
monochromatique et cohérent.
-
Une molécule peut passer d’un
niveau d’énergie inférieur à un niveau d’énergie supérieur par
absorption d’un quantum d’énergie.
-
Elle peut revenir à son état
d’énergie inférieur en émettant un photon.
-
Ces transitions énergétiques sont
des transferts quantiques d’énergie.
-
Une transition d’un niveau
électronique à un autre nécessite plus d’énergie qu’une
transition vibratoire.
-
Un domaine spectral est associé à
chacune de ces transitions.
-
Une transition d’énergie
électronique est associée à une radiation ultraviolette ou
visible.
-
Une transition d’énergie
vibratoire est associée à une radiation infrarouge.
►
Transitions énergétiques (suite).
Énergie du photon absorbé |
Domaine
spectral |
Nature de la
transition mise en jeu |
Analyse
spectrale correspondante |
1,5 eV – 10 eV |
Visible, Ultraviolet |
Transition entre niveaux d’énergie électronique |
Spectroscopie UV – Visible
|
0,003 eV – 1,5
eV |
Infrarouge |
Transition entre niveaux d’énergie vibratoire |
Spectroscopie
IR |
|