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PARTIE: Comprendre Lois et modèles Comment exploite-t-on des phénomènes périodiques pour accéder à la mesure du temps ? En quoi le concept de temps joue-t-il.

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2 PARTIE: Comprendre Lois et modèles Comment exploite-t-on des phénomènes périodiques pour accéder à la mesure du temps ? En quoi le concept de temps joue-t-il un rôle essentiel dans la relativité ? Quels paramètres influencent lévolution chimique ? Comment la structure des molécules permet-elle d'interpréter leurs propriétés ? Comment les réactions en chimie organique et celles par échange de proton participent-elles de la transformation de la matière ? Comment seffectuent les transferts dénergie à différentes échelles ? Comment se manifeste la réalité quantique, notamment pour la lumière ? Place dans le nouveau programme de Terminale S **

3 Thème: Énergie, matière et rayonnement Transferts quantiques dénergie Émission et absorption quantiques. Émission stimulée et amplification dune onde lumineuse. Oscillateur optique : principe du laser. Transitions dénergie : électroniques, vibratoires. Connaître le principe de lémission stimulée et les principales propriétés du laser (directivité, monochromaticité, concentration spatiale et temporelle de lénergie). Mettre en œuvre un protocole expérimental utilisant un laser comme outil dinvestigation ou pour transmettre de linformation. Associer un domaine spectral à la nature de la transition mise en jeu.

4 Dualité onde-particule Photon et onde lumineuse. Particule matérielle et onde de matière ; relation de de Broglie. Interférences photon par photon, particule de matière par particule de matière. Savoir que la lumière présente des aspects ondulatoire et particulaire. Extraire et exploiter des informations sur les ondes de matière et sur la dualité onde- particule. Connaître et utiliser la relation p = h/ υ. Identifier des situations physiques où le caractère ondulatoire de la matière est significatif. Extraire et exploiter des informations sur les phénomènes quantiques pour mettre en évidence leur aspect probabiliste.

5 PLAN du COURS Introduction I- La mécanique classique II- Les limites de la mécanique classique III- Les débuts de la mécanique quantique - la théorie corpusculaire de la lumière - Le modèle de Bohr - Le LASER (principe, applications, Activités …) IV- Dualité onde-corpuscule - Expériences - Caractère probabiliste - Le microscope élctronique Conclusion

6 - Choix dune présentation historique et chronologique - De nombreux Prix Nobel décernés concernant ce thème. - Précisions sur les applications concrètes - Exemples dactivités de cours, de TP et dexercices

7 I- La mécanique classique La Théorie ondulatoire de la lumière René Descartes ( ) Étudie et propose les lois de la réfraction au 17 e siècle. Vu en 2 nde : Réfraction. Lois de Snell-Descartes. n 1 sin i 1 =n 2 sini 2 Isaac Newton ( ) Etudie la dispersion de la lumière blanche. Construit un télescope. Vu en 2 nde : Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

8 Christian Huygens ( ) Propose une théorie ondulatoire de la lumière n 1 /n 2 =v 2 /v 1 (principe de Huygens Fresnel) Augustin Fresnel ( ) Utilise aussi la théorie ondulatoire pour expliquer les interférences et la diffraction. Vu nouveau programme TS: Propriété des ondes Diffraction (ϴ = λ/a) et interférences lumineuses

9 La théorie électromagnétique de la lumière James Clerk Maxwell( ) Etablit la théorie des ondes électromagnétiques Vu en 2 nde : Ondes électromagnétiques :Nature et fréquence donde utilisée dans limagerie médicale. Vu en 1 ère : Domaine des ondes électromagnétiques (visibles, UV et IR) Vu au nouveau programme de TS: - Propriétés et caractéristiques des ondes - Spectroscopie

10 Physique statistique Ludwig Boltzmann ( ) Etudie la thermodynamique du rayonnement dun corps noir mais discrédité. Vu en 2 nde : Température de la surface détoiles. Vu en 1 ère S : Couleur des corps chauffés, loi de Wien sans voir la constante de Boltzmann k: λ M T=Cte. REM:

11 Heinrich HERTZ ( ) Travaux sur les ondes électromagnétiques Expérience de Hertz (1887) Mise en évidence de leffet photoélectrique sans linterpréter réellement.

12 II- Les limites de la mécanique classique Impossibilité dutiliser la mécanique classique pour lexplication : du rayonnement du corps noir, de leffet photoélectrique et des spectres atomiques, rayonnement lors de désintégration radioactives. Cest donc dans ce cadre interactions matière/lumière que la physique quantique sest développée au début du XXème. La théorie quantique s'applique à l'infiniment petit. C'est une modélisation qui rend compte des phénomènes de l'infiniment petit.

13 Wilhelm Conrad Röntgen ( ) Il a découvert les rayons X Ce qui lui a valu de recevoir le premier Prix Nobel de Physique en 1901 Lexplication de lexistence de ces rayons sera vue plus tard.

14 La Théorie corpusculaire de la lumière Max Planck publie une autre théorie dans laquelle lénergie varie par sauts ou « quanta ». Le rayonnement du corps noir ** Vu en 1 ère S: Interaction lumière matière Quantification des niveaux dénergie (spectres d absorption et démission) ΔE= hν III- Les débuts de la mécanique quantique Rappel : h= 6,63 x J.s

15 Le rayonnement du corps noir Planck obtint pour la première fois un bon accord théorie/expérience en supposant que l'énergie électromagnétique, au lieu d'être continue comme dans la théorie classique, ne peut prendre que des valeurs discrètes multiples de h c/ λ ou h ν, où c est la vitesse de la lumière dans le vide : c = m.s -1 h, la constante de Planck, vaut h = 6,625 × J.s Ce qui n'était alors qu'un « artifice de calcul » permet de trouver une formule qui correspond à l'expérience, la loi de Planck: Origine de la relation: E= h c/ λ = h ν

16 Albert Einstein ( ) Hypothèse dEinstein : la quantification de la lumière (1905) Prix Nobel :1921 (et non pour la relativité) par contre avait du mal à accepter la théorie probabiliste de la mécanique quantique. Effet photoélectrique **** Tube de Crookes DOCDOC Film biographique pour act doc vod.fr/media/1200/einstein-et- nous.html?page=1&tag_id=1265 vod.fr/media/1200/einstein-et- nous.html?page=1&tag_id=1265 ) Rappel : 1eV= 1,602 x J SUITE SUITE

17 Expérience du tube de Crookes Pression photonique La force exercée par les photons dune radiation lumineuse peut être calculée en considérant laspect corpusculaire des photons ayant une énergie E= h ν. (http://membres.multimania.fr/voilessolaires/page5.htm )http://membres.multimania.fr/voilessolaires/page5.htm Chaque photon qui heurte la pale cède deux fois sa quantité de mouvement. RETOUR

18 Leffet photoélectrique Origine de la connaissance de lexistence des photons Einstein a lié la fréquence seuil à partir de laquelle les e sont arrachés au fait que la lumière était constituée de certaines particules (aujourdhui appelées photons) ayant une énergie E=h ν Énergie d'extraction d'un électron d'un métal Pour extraire un électron libre d'un métal, il faut lui fournir une énergie minimale W 0 appelée travail d'extraction. Cette énergie peut être fournie par un photon d'énergie hν. Si hν est supérieur à W 0, le surplus d'énergie se retrouve sous forme d'énergie cinétique Ec m. Ec m = hν - W 0. Remarque : Tous les électrons ne sortent pas avec cette énergie Ec m, car certains perdent une partie de leur énergie par chocs avant de quitter le métal. Animation sur leffet photoélectrique Exercice dapplication EXEX

19 Exercice sur leffet photoélectrique: Le tableau suivant donne les valeurs des énergies dextraction pour quelques métaux. MétalW: Energie dextraction (eV) Zinc3.60 Strontium2.06 Césium Pour quels métaux observera-t-on le passage du courant dans lampèremètre? 2. Dans les cas où le passage du courant est observé, quelle est la valeur maximale de lénergie cinétique des électrons émis ? 3. Lénergie maximum calculée précédemment augmente-t-elle si : a. On augmente lintensité lumineuse émise par la lampe ? b. On remplace la lampe par une lampe à vapeur de mercure riche en radiations ultraviolettes pour lesquelles les longueurs donde sont plus courtes que pour les radiations visibles ?

20 CORRECTION 1.Pour quels métaux observera-t-on le passage du courant dans lampèremètre? On observera donc le passage du courant dans le strontium et le césium (E est supérieure à lénergie dextraction pour ces deux métaux). 2. Dans les cas où le passage du courant est observé, quelle est la valeur maximale de lénergie cinétique des électrons émis ?

21 3. Lénergie maximum calculée précédemment augmente-t-elle si : a. On augmente lintensité lumineuse émise par la lampe ? Si lintensité lumineuse augmente, cette énergie maximum naugmente pas, car lénergie lumineuse échangée ne dépend que de la fréquence de londe, pas de son intensité. b. On remplace la lampe par une lampe à vapeur de mercure riche en radiations ultraviolettes pour lesquelles les longueurs donde sont plus courtes que pour les radiations visibles ? Si on remplace la lampe par une lampe à vapeur de mercure, lEc va augmenter car les rayons ultraviolets émis par cette lampe ont une longueur donde λ plus courte, donc une fréquence ν plus grande (on a déjà vu que lénergie lumineuse échangée croît avec la fréquence de londe selon la relation E=h ν ). RETOUR

22 Arthur Holly Compton ( ) Vérifie expérimentalement en 1923 le comportement corpusculaire du photon et lhypothèse de la quantification de lénergie du photon par la longueur donde Prix Nobel en 1927

23 Photon dénergie entre 10 et 40 keV le photon interagit un électron dune couche électronique externe; Éjection de lélectron avec une quantité dénergie cinétique K; Perte dénergie du photon E finale = E initiale - [W+ K] Atome ionisé Confirmation de lexistence des photons

24 Un photon 40 keV interagit avec un électron dune couche extérieure ayant une énergie de liaison de 72 eV. Si lélectron éjecté possède une énergie cinétique de 4,2 keV, déterminer lénergie du photon diffusé? E finale = E initiale - [W + K] = 40keV - [,072keV + 4,2keV] = 35,728 = 36 keV

25 Lénergie du rayon X résultant est égale à la différence entre lénergie du rayon X incident et celle impliquée dans le processus déjection de lélectron de latome, doù:

26 Niels Bohr ( ) Modèle de structure de latome en 1913 Prix Nobel en 1922 « pour ses études de la structure des atomes et des radiations qui en proviennent ». Vu en 2 nde : Modèle de latome (modèle de Rutherford + structure électronique en couche)

27 Modèle de Bohr Quantification des niveaux dénergie pour les atomes Cas de latome dhydrogène ** Cas des rayons X **** Applications ******

28 Spectre démission de Atome dhydrogène ANIMATIONANIMATION Avec E 0 = 13,6 eV

29 Raie - TransitionEnergie (J ) Fr quenc e ( Hz ) Longueur donde (nm) Domaine spectralNom de la Série 4 31, ,161874I.RBracket 4 24, ,62486VisibleBalmer 4 12, ,0997,2U.VLyman 3 23, ,46656VisibleBalmer 3 11, ,93102,5U.VLyman 2 11, ,5121,5U.VLyman RETOUR

30 Exercice : 1)Calculer la valeur de la constante de Rydberg R H (On pourrait aussi insister sur lunité de cette constante ) 2) On considère latome dhydrogène a) quelle est en eV, la plus petite quantité dénergie qu'il doit absorber pour : -passer au 1 état excité ? -passer du premier état excité à l'état ionisé ? b) Quelles sont les longueurs d'onde des raies du spectre démission correspondant au retour : - de létat ionisé au 1èr état excité ? - du premier état excité à létat fondamental ? 3) Si lélectron de lHydrogène est excité au niveau n=4, combien de raies différentes peuvent-elles être émises lors du retour à létat fondamental. Classer les transitions correspondantes par longueurs d'onde croissantes du photon émis.

31 1) On peut donc facilement démontrer : = 1,096 x 10 7 m -1 REM: E 0 doit être en J - Transition de m infini à n=1 Energie dionisation: on déduit la valeur de λ: λ mn= 9,13 x m

32 2) a) E p,n = E 0 (1/p 2 -1/n 2 ) avec n > p E 2, 1 = E 0 (1/1 2 -1/2 2 ) = 3/4 E 0 = 3/4 * 13,6 = 10,2 eV = 1, J E infini, 2 = E 0 (1/2 2 -1/ infini 2 ) = 1/4 E 0 = 1/4 * 13,6 = 3,4 eV = 5, J b) E = h = E / h = C / = h C / E infini, 2 = h C / E, 2 = 6, * / 5, = 3, m infini, 2 = 367,8 nm 2, 1 = h C / E 2, 1 = 6, * / 1, = 1, m 2, 1 = = 122,6 nm

33 3) 6 raies possibles : n = 3 n = 2 : Balmer-alpha ou H-alpha ; n = 4 n = 2 : H-beta ; n = 2 n = 1 : Lyman-alpha ; n = 3 n = 1 : Lyman-beta ;,

34 + 4 3 Il arrive quun électron du faisceau (1) entre en collision avec un électron de lorbite fondamentale K dun atome de tungstène par exemple (2). Les 2 électrons séjectent hors de latome créant alors un espace disponible pour quun électron dune orbite supérieure (3), puisse y tomber, ce qui a pour effet de libérer de lénergie sous forme dun rayon X (4). Tout électron tombant au niveau K et provenant de nimporte quel niveau supérieur (L, M, N, O, P) libère une énergie comprise entre 57,4 keV et 69,5 keV. Ce sont les seules transitions importantes produisant des rayons X utiles en radiodiagnostic. Les énergies libérées par les autres transitions ne sont pas suffisamment grandes. 2 1

35 Spectroscopie des rayons X : définitions, choix des raies, gammes d'éléments couverts Typiquement, c'est un trou dans la couche K ( la plus proche du noyau) qui est comblé par un électron de la couche L, immédiatement supérieure. Comme les niveaux d'énergie des électrons sont liés au Z - numéro atomique - de l'atome, la technique PIXE donne une analyse en Z de la matière. On utilise les règles suivantes pour nommer les raies X correspondantes : la raie adopte le nom de la couche "d'atterrisage" de l'électron : par exemple la transition couche K> donne une raie K. un indice grec identifie la couche dont provient l'électron : par exemple, la transition couche L> se nomme L alpha

36 Exercices sur les rayons X: La seinographie ou mammographie daprès DTS IMRT session 2001 Pour cet examen, on utilise des rayons X peu énergétiques et avec un spectre à bande étroite. On utilise souvent un appareil à anode de molybdène dont le spectre est le suivant : 1)A quels phénomènes correspondent les pics K et K ? 2) Si on attribue conventionnellement le niveau d'énergie 0 au niveau K de l'atome de molybdène, donner les énergies des niveaux L et M et les placer sur un diagramme où 5 keV sont représentés par 1 cm. 3) Lorsqu'un atome de molybdène excité voit un électron de sa couche M revenir sur la couche L, il émet un photon. Indiquer cette transition sur le diagramme de la question précédente. Donner l'énergie du photon, calculer sa longueur d'onde dans le vide. Quelle est la nature de ce photon ?

37 Correction 1)A quels phénomènes correspondent les pics K et K ? Ils correspondent à des émissions de photon (niveau dénergie3 couche Lvers létat fondamental ) et de photons (niveau dénergie 3 couche M vers état fondamental). 2) Si on attribue conventionnellement le niveau d'énergie 0 au niveau K de l'atome de molybdène, donner les énergies des niveaux L et M et les placer sur un diagramme où 5 keV sont représentés par 1 cm. 3) Lorsqu'un atome de molybdène excité voit un électron de sa couche M revenir sur la couche L, il émet un photon. Indiquer cette transition sur le diagramme de la question précédente. Donner l'énergie du photon, calculer sa longueur d'onde dans le vide. Quelle est la nature de ce photon ?

38 Un photon a pour énergie E ph = 50 keV. 1. Déterminer la longueur donde de ce photon. 2. Rappeler les limites des rayons X et conclure si ce photon est un photon X ou non 3. On rappelle la loi dabsorption (loi de Beer Lambert) des photons X par un matériau I = I 0 e -ka. Indiquer ce que représentent I, I 0, k et a. 4. Pour le plomb, on donne k = 7910 m -1 dans ces conditions, lépaisseur de la plaque de plomb est de 1 mm et lintensité du faisceau est I 0 = 100 W.m -2. Déterminer I. 5. Citer quelques applications utilisant les rayons X.

39 Corrigé 1. E ph = 50 keV = eV = x = J Donc = h.cEph = m. 2. Les rayons X sont dans le domaine de longueurs dondes suivantes : m < < m. Le photon de la question 1 appartient à ce domaine : cest un photon X. 3. I représente lintensité du faisceau émergeant du matériau, I 0 lintensité du faisceau incident, k est le coefficient dabsorption en m -1 et a lépaisseur traversée de matériau en m. 4. I = I 0 e -ka = 100 e -(7910x0.001) = W.m Les rayons X sont employés en imagerie médicale (radiographie, scanner), dans les radiothérapies, pour la détermination des réseaux cristallins en chimie du solide, et pour la stérilisation dobjets entre autres exemples.

40 LE LASER : Alfred Kastler ( ) Découverte et le développement de méthodes optiques servant à étudier la résonnance hertzienne dans les atomes », notamment la technique du « pompage optique », élaborée en 1949.pompage optique Prix Nobel de physique en 1966.

41 Applications du laser (DOC )DOC Activités documentaires Le principe du LASER (vidéo vod.fr/media/1200/einstein-et-nous.html?page=1&tag_id=1265 ) *http://www.universcience- vod.fr/media/1200/einstein-et-nous.html?page=1&tag_id=1265* Dangers des LASER – Energies mise en jeu **** Application de la mesure de la distance Terre Lune ( laser à rubis en 1969) + Exercice DOCDOC

42 Activités expérimentales DI « le télémètre » DIDI TP transmission dun information à laide dun laser (application au principe dune télécommande) TPTP DI « le lecteur code barre » DIDI Activité sur la lampe à sodium ******

43 Principe du LASER : oscillateur optique animation Acronyme de : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (« amplification de la lumière par émission stimulée de radiations »)

44 L'émission stimulée L'émission stimulée est le processus inverse de l'absorption, c'est-à-dire que la radiation (c.à.d. les photons) reçue par un atome stimule ce dernier à émettre exactement la même sorte de radiation (même longueur d'onde, même phase, même polarisation...). On remarque donc qu'il y a amplification, car il y a davantage de lumière après l'émission qu'avant. Malheureusement, cette amplification de la lumière est largement compensée par l'absorption dans les conditions normales, c'est pourquoi il n'y a pas de laser dans la nature en général. En effet, l'absorption de lumière par un atome fait passer ce dernier à une énergie supérieure, il gagne l'énergie. Alors que l'émission, au contraire, fait passer l'atome d'un état d'énergie supérieur à un état d'énergie inférieur. L'énergie de l'atome s'est transformé en énergie lumineuse. L'émission stimulée agit donc comme une duplication de la lumière. En répétant de nombreuses fois ce phénomène, il est possible de créer une lumière qui est composée de photons tous identiques, de même couleur, émis en même temps et dans la même direction comme s'ils étaient la copie conforme les uns des autres : c'est la lumière laser. Or, dans des conditions normales, les atomes ont une énergie minimale. Ils sont dans l'état d'énergie inférieur. Ils sont donc disposés à absorber de la lumière, mais pas à en émettre. C'est pourquoi l'absorption est généralement dominante par rapport à l'émission stimulée. Par contre, si on parvient à faire en sorte qu'un morceau de matière possède plus d'atomes dans l'état d'énergie supérieur que dans l'état d'énergie inférieur, alors l'amplification de la lumière par l'émission stimulée (l'effet laser) devient possible. On nomme cette situation «inversion de population» car le nombre d'atomes excités (la population de l'état d'énergie supérieur) est plus grand que le nombre d'atomes non- excités (la population de l'état d'énergie inférieur), inversement à la situation normale.

45 L'inversion de population a) population normale, il y a plus d'atomes au niveau inférieur; b) inversion de population, il y a plus d'atomes au niveau supérieur. L'inversion de population favorise le processus d'émission stimulée. De cette manière, un photon se propageant dans le milieu actif a plus de chance de provoquer la désexcitation d'un atome excité que de se faire absorber par un atome au niveau inférieur. Il y a alors plus de photons produits par émission stimulée que de photons perdus dans différents processus d'absorption. Une réaction en chaîne peut alors se produire, entraînant une multiplication des photons dans le milieu actif. L'inversion de population contribue ainsi à l'amplification de la lumière dans le laser. Pour obtenir une telle situation dans la pratique, on utilise le pompage optique. Cette méthode permet de transférer de l'énergie lumineuse à des atomes. Le premier milieu utilisé a été le rubis, un cristal d'alumine contenant un léger pourcentage d'oxyde de chrome. Ces ions chrome absorbent facilement le vert et le bleu (d'où la couleur rouge du rubis) et peuvent être excités en les éclairant avec un flash intense de lumière blanche. Ils émettent ensuite leur énergie sous forme de photons de lumière rouge de manière stimulée ou non. Les premiers lasers furent donc des lasers à rubis. Le pompage optique n'est pas la seule façon d'obtenir l'inversion de population. Celle-ci peut être aussi provoquée par décharge électrique ou par certaines réactions chimiques.

46 La technique du « pompage optique », élaborée en 1950, valut à Alfred Kastler le prix Nobel de physique en Cette technique permet de modifier les états des atomes à l'aide d'une irradiation lumineuse polarisée.1950Alfred Kastlerprix Nobel de physique1966 Les états atomiques se distinguent selon l'énergie emmagasinée par l'atome ; on les représente sur une échelle d'énergie, où les niveaux de faible énergie sont en bas de l'échelle, tandis que les niveaux de grande énergie sont dans le haut. L'état d'une vapeur atomique peut être représenté par la proportion ou le nombre d'atomes occupant chacun des niveaux de cette échelle (on dit encore la population de chaque niveau). Selon sa polarisation, la lumière permet de modifier les états atomiques vers les basses énergies, ou bien vers les hautes énergies. Dans ce second cas, les atomes représentés sur l'échelle d'énergie deviennent progressivement plus nombreux dans les hautes énergies. Dans cette représentation, le processus de pompage peut être comparé à une pompe ordinaire, qui élève les molécules d'eau d'une canalisation basse vers un réservoir haut placé (au sommet d'un chateau d'eau par exemple). La lumière polarisée joue le rôle d'une "pompe" à atomes dans l'échelle des niveaux d'énergie. Dans une population d'atomes en équilibre thermique, ce sont les niveaux d'énergies les plus bas qui sont les plus peuplés. Lorsqu'un processus de "pompage" produit un peuplement majoritaire d'atomes de hautes énergies, on dit qu'on a réalisé une « inversion de populations ». "L'inversion de populations" joue un rôle essentiel dans le fonctionnement des laser. Le pompage optique, par illumination à l'aide d'un faisceau très intense, est une technique employée par exemple dans les laser à rubis, où le pompage optique est réalisé grâce à un tube à décharge. Les inversions de populations peuvent être réalisées par d'autres processus, inventés par la suite, et pour lesquels on a gardé le terme de "pompage", proposé initialement par le professeur Kastler.laserrubistube à décharge Wikipédia – pompage optique

47 Propriétés de la lumière issue dun LASER : (animation) ONDE LASERONDE ORDINAIRE Directivité : Se propage dans une seule direction, Se propage dans Toutes les directions Monochromatique : Tous les photons émis ont la même énergie, donc la même longueur donde (une seule raie sur le spectre) Les lumières émises par des lampes par ex ont plusieurs raies sur leur spectre démission. Cohérence spatiale et temporelle: Les ondes émises sont en phase. Phénomène dinterférence évité Les ondes ne vibrent pas en temps et de la même manière. RETOUR

48 Précautions à prendre 1. Éliminer toute cause de réflexion parasite, même très brève, par des objets qui pourraient intercepter une partie du faisceau : – Enlever montres et bagues pendant la durée du TP. – Éviter de manipuler des objets en métal (tournevis, pinces...) ou en verre à proximité du faisceau. 2. Ne pas approcher son œil du faisceau pour faire les alignements. 3. Ne jamais insérer un élément optique (lentille, filtre...) dans le montage expérimental sans avoir au préalable coupé le faisceau laser. 4. Bien fixer tous les éléments optiques insérés dans le faisceau (pas de filtres optiques ou décrans simplement posés sur la tranche !). 5. Lors de travail en équipe sur un même laser, surveiller toujours les opérations effectuées par le coéquipier lorsquil est amené à manipuler à proximité du faisceau laser.

49 Lorsquun rayon laser atteint lœil, le cristallin focalise en un point de la rétine la lumière déjà fortement concentrée du fait de sa cohérence. Il nest donc pas étonnant quun laser de quelques millièmes de Watt (mW) puisse provoquer des lésions oculaires, alors quune lampe de 100 Watts savère inoffensive. Les lésions de la rétine sont particulièrement graves car les cellules sensorielles détruites ne se régénèrent pas. Classe 1 lasers sans danger, à condition de les utiliser dans leurs conditions raisonnables prévisibles (exemples : imprimantes, lecteurs de CD-ROM et lecteurs de DVD). imprimantesCD-ROMDVD Classe 1M lasers dont la vision directe dans le faisceau, notamment à laide dinstrument optiques, peut être dangereuse. Classe 2 lasers qui émettent un rayonnement visible dans la gamme de longueur de 400 à 700nm. La protection de lœil est normalement assurée par les réflexes de défense comprenant le réflexe palpébral, clignement de la paupière (par exemple, des lecteurs de code-barres).code-barres Classe 2M lasers qui émettent un rayonnement visible dans la gamme de longueur de 400 à 700nm. Lasers dont la vision directe dans le faisceau, notamment à laide dinstrument optiques, peut être dangereuse (exemples : loupes et télescopes).loupestélescopes RETOUR

50 Télémètre laser DI « le télémètre » Question attendue : Comment fonctionne-t-il ? Hypothèses retenues: - Par mesure de la durée du trajet du rayon lumineux Expériences: - Irréalisable compte tenu des petites durées à mesurer Imaginer un autre principe pour mesurer des distances à laide dun laser: TPTP RETOUR

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52 Exercice : L'expérience « laser-lune » de l'Observatoire de La Côte d'Azur (OCA) a pour but laObservatoire de La Côte d'Azur détermination précise de la distance terre-lune et de ses variations. Elle est située sur le plateau de Calern, près de Grasse. Un LASER émet une impulsion au foyer F d'un télescope place a la surface de la Terre. Ce télescope est pointe en direction d'un réflecteur place sur la Lune, qui renvoie vers la Terre une partie de la lumière qu'il reçoit. Lénergie lumineuse transportée a chaque impulsion est 0,30 J sur une durée de 0,3 μs. Le principe est la mesure de la durée T d'aller-retour d'une impulsion laser émise du sol terrestre vers un réflecteur lunaire. Le diamètre du faisceau à la sortie du laser est de d= 1,2 cm. On mesure un intervalle T 2,56 s entre l'émission d'une impulsion et la réception du signal de retour correspondant. Actuellement, la distance D est déterminée au centimètre près. La longueur donde du LASER utilisé est de λ = 532 nm. Les mesures montrent qu'on ne détecte en moyenne qu'un seul photon de retour pour une centaine d'impulsions du laser émises en 10 s.

53 a) L= 2,56 x /2 = km b) dt/t= 2 dx/x doù dt < 1, s c)n= 10 impulsions par sec onde P= E / t = 0,3 /(0, ) = 10 6 W (près de 1MW) d) E 1 = hc/ λ = 3, J N= E/E 1 = 0,3 / 3, = 8, photons 1 sur 100 impulsions toutes les 10s a)Calculer la distance Terre – Lune b)Calculer la précision que lon doit avoir sur la mesure du temps pour connaitre la distance Terre –Lune au centimètre près. c)Calculer la puissance de ce laser lorsquil émet. d) Calculer le nombre de photons émis par impulsion. e) Quel est le diamètre de la section sur la lune atteinte par le LASER ? e)θ =1,22 λ/d et L = Dθ Donc L = D x 1,22 λ/d = 20,8 km RETOUR

54 DI « Lecteur code barre » Question attendue : Comment le lecteur peut lire le code barre ? Hypothèses retenues: les bandes de couleurs renvoient différemment le signal du laser, celui –ci se transforme grâce à un photorécepteur en signal électrique. Ce signal est analysé pour décoder linformation lue. Expériences : Proposer un schéma de montage illustrant ce principe ( maquette : TP)TP RETOUR

55 Activité : Lampe à vapeur de sodium On utilise les lampes à vapeur de sodium pour éclairer des tunnels routiers. Ces lampes contiennent de la vapeur de sodium à très faible pression. Cette vapeur est excitée par un faisceau délectrons qui traverse le tube. Les atomes de sodium absorbent lénergie des électrons. Lénergie est restituée lors du retour à létat fondamental sous forme de radiations lumineuses. Les lampes à vapeur de sodium émettent surtout de la lumière jaune. Données : h= 6, J.s ; c=3, m/s ; e= 1, C. On observe à laide dun spectrogoniomètre le spectre démission dune lampe à vapeur de sodium. On se propose détudier la transition correspondant à la lumière jaune émise.

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57 Courbe détallonage construite à laide du spectrogoniomètre Déterminer expérimentalement la longueur donde de la raie jaune du doublet du sodium. On projette la valeur lue pour la raie jaune de la lampe de sodium sur la courbe détalonnage réalisée avec la lampe à vapeur de mercure. Par projection de la valeur d= 4,5cm on obtient une longueur donde λ= 589nm.

58 Quelle est la valeur de la fréquence ν correspondant à cette raie. Calculer en eV lénergie dun photon de cette radiation. On donne le diagramme simplifié des niveaux dénergie de latome de sodium

59 1-Indiquer sur le diagramme létat fondamental et les états excités. Le niveau fondamental correspond au niveau E 0. Les états excités sont tous les autres états supérieurs. 2-Expliquer brièvement pourquoi ce diagramme permet de justifier la discontinuité du spectre démission dune lampe à vapeur de sodium ? On a un spectre de raies démission. Ce qui signifie que seules certaines transitions énergétiques sont permises. Nous navons pas un spectre continu démission. 3- Entre quels niveaux dénergie sest opérée la transition ? Représenter cette transition par une flèche sur le diagramme. Seule la transition mettant en jeu le niveau E 1 et le niveau E 0 donne un écart énergétique rigoureusement égal à lénergie du photon émis. La transition est représentée par une flèche partant de E 1 pour atteindre E 0.

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61 Louis Victor de Broglie( ) Formula lhypothèse en 1924 : p =h ν= h/λ -Toute particule en mouvement peut être associée à une longueur donde selon la relation ci-dessus. Prix Nobel en 1929 (Nature ondulatoire de lélectron) IV- Dualité onde-corpuscule Photon : onde et particule M= 0 kg et v = c MaxwellPlanck et Einstein

62 Interférences (fentes de Young) : Interférences photon par photon (simulation: lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/divers/interphot.htmlhttp://subaru.univ- lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/divers/interphot.html ou particule de matière par particule de matière : exemple avec les électrons ici.

63 Caractère probabiliste : - position aléatoire dun photon ou dune particule élémentaire avec les mêmes conditions initiales de lexpérience. - Pourtant, figures dinterférences avec un grand nombre de particules La description de létat dune particule ne peut pas être déterminée (position, vitesse) avec précision, on utilise donc une fonction donde complexe pour calculer la probabilité pour décrire complètement létat dune particule.

64 pour leur découverte sur la diffraction des électrons par les cristaux

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66 Le microscope électronique Microscope électronique construit par Ernst RuskaErnst Ruska en Utilise un faisceau de particules d'électrons pour illuminer un échantillon et en créer une image très agrandie. - lentilles électrostatiques et électromagnétiques pour former l'image en contrôlant le faisceau d'électrons et le faire converger sur un plan particulier par rapport à l'échantillonlentillesélectrostatiquesélectromagnétiques - Grossissement 2x 10 6 fois / 2000 fois pour microscope optique. - résolution limite, imposée par la longueur d'onde du rayonnement qu'ils utilisent.longueur d'onde - la longueur d'onde d'un électron (longueur d'onde de de Broglie) est beaucoup plus petite que celle d'un photon de lumière visiblede Broglie - Résolution limite dû au phénomène de diffraction

67 Vidéo: electronique.htmlhttp://www.ina.fr/fresques/jalons/fiche-media/InaEdu01404/le-microscope- electronique.html

68 La structure périodique d'un solide cristallin agit comme un réseau de diffraction optique, diffusant les électrons de manière prédictive. En travaillant à partir du schéma de diffraction observé, il peut être possible de déduire la structure du cristal à l'origine de cette diffraction.réseau de diffraction optique

69 Exercices dapplication sur le microscope électronique et les ondes de De Broglie Exercice 1 Dans un microscope électronique, on utilise une tension daccélération de 100 kV. Quelle est la longueur donde de Broglie des électrons ? Comparez-la avec la longueur donde de la lumière visible. Conclure. Exercice 2 Calculez la longueur donde de Broglie dune voiture de 2000 kg et de vitesse 30m/s. Quelle taille de réseau serait nécessaire pour observer la nature ondulatoire de cet objet ? Conclure.

70 Corrections. Exercice 1 Dans un microscope électronique, on utilise une tension daccélération de 100 kV. Quelle est la longueur donde de Broglie des électrons ? λ= h/p avec p=mv et Ec = ½ p 2 /m donc on trouve λ = h/ (2Em) Comparez-la avec la longueur donde de la lumière visible. Conclure. Donc fois la longueur donde de la lumière visible. Comme cette longueur donde est 100 fois plus petite que la distance interatomique dans un réseau cristallin ( m), on peut faire des images avec une résolution atomique dans un microscope électronique à transmission.

71 Exercice 2 Calculez la longueur donde de Broglie dune voiture de 2000 kg et de vitesse 30 m/s. Quelle taille de réseau serait nécessaire pour observer la nature ondulatoire de cet objet ? Conclure. λ = h/p = h/mv on a Comme pour avoir une diffraction, il faut des objets de taille comparable à la longueur donde,dans la vie on ne peut pas observer les effets dus à la nature ondulatoire des objets macroscopiques. REM: Cette longueur donde est fois la distance interatomique dans un cristal.

72 Conclusion : Mécanique quantique : principes et équations pour modéliser des phénomènes microscopiques mais qui peuvent sappliquer à léchelle macroscopique, dune grande précision. Difficultés pour le grand public et « limites » pour les élèves de Terminale S.


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