Chapitre 15<o:p></o:p>

Transferts quantiques d’énergie et dualité ondes-particules<o:p></o:p>

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I)            Transferts quantiques d’énergie<o:p></o:p>

1)  Absorption quantique<o:p></o:p>

 

Une particule placée dans un état d’énergie donnée doit observer une quantité d’énergie spécifique pour être excité. L’absorption d’énergie par la matière est quantifiée par:<o:p></o:p>

- L’absorption d’un photon d’énergie spécifique<o:p></o:p>

- La collision avec d’autres particules<o:p></o:p>

- Le passage d’un courant électrique<o:p></o:p>

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2)  Émission spontanée<o:p></o:p>

 

Une particule se trouvant dans un état excité peut retrouver sa stabilité en émettant de façon spontanée un photon. L’émission spontanée est quantifiée. Le photon est émis dans une direction aléatoire.<o:p></o:p>

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3)  Émission stimulée<o:p></o:p>

 

Lorsqu’un photon d’énergie E₂ – E₁ rencontre une particule dans un état excité E₂, cette particule peut retrouver un état d’énergie plus stable E₁ en émettant un photon de même énergie. Ce photon d’émission est une émission stimulée. Les photons produits ont la même direction que les photons incidents<o:p></o:p>

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II)         Source laser<o:p></o:p>

1)  Propriété du laser<o:p></o:p>

La lumière a une longueur d’onde clairement identifiée, elle est monochromatique.<o:p></o:p>

Elle ne se propage que dans une direction privilégiée, elle est directe.<o:p></o:p>

La concentration spatiale de l’énergie est une conséquence directe de sa directivité : l’ensemble de l’énergie produite est dirigée selon une direction.<o:p></o:p>

Le laser peut fournir de l’énergie soit de façon pulsée ou continue. Lorsqu’elle est pulsée, plus l’impulsion est brève, plus le laser délivre une puissance instantanée importante, c’est la concentration temporelle de l’énergie.<o:p></o:p>

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2)  Émission stimulée et amplification d’une lumineux<o:p></o:p>

Elle a pour effet d’amplifier l’onde lumineuse incidente. Pour qu’il y est amplification de l’onde lumineuse, il faut qu’il y est plus de particules dans un état d’énergie excité que dans l’état fondamental.<o:p></o:p>

Lorsqu’on place la majorité des particules dans un état excité, c’est l’inversion de population.<o:p></o:p>

L’opération de pompage optique est faite en général par des flashs de lumière pour inverser la population<o:p></o:p>

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3)  Principes du laser<o:p></o:p>

Seuls les photons qui se déplacent dans la direction perpendiculaire au miroir peuvent sortir de la cavité laser. Les miroirs ont pour effet de sélectionner la direction des photons.<o:p></o:p>

La multiplication des passages permet d’augmenter le nombre de photons identiques produit par émission stimulée. Les pertes sont compensées par des flashs qui maintiennent l’inversion de population. Ce type de cavité est appelé oscillateur optique entretenu.<o:p></o:p>

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III)      Transitions d’énergie<o:p></o:p>

1)  Transition d’énergie électronique<o:p></o:p>

Un atome gagne ou cède de l’énergie en faisant transiter un électron d’un niveau vers un autre niveau d’énergie. C’est la transition d’énergie électronique.<o:p></o:p>

Tout ce qui concerne les atomes, ils ne peuvent émettre des photons que dans le domaine visible ou ultraviolet.<o:p></o:p>

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2)  Transition d’énergie vibratoire<o:p></o:p>

Les molécules ont la capacité d’emmagasiner de l’énergie sous forme vibratoire. Lors d’une transition d’énergie vibratoire, la molécule passe d’une configuration vibratoire à une autre. Ces transitions d’énergie sont moins énergétiques que les transitions électroniques. Il y a émission ou absorption dans l’infrarouge. <o:p></o:p>

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IV)      Aspect ondulatoire et particulaire de la lumière<o:p></o:p>

1)  Comportement ondulatoire de la lumière<o:p></o:p>

Phénomènes de diffraction et d’interférences sont des manifestations du comportement ondulatoire de la lumière.<o:p></o:p>

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2)  Comportement particulaire de la lumière<o:p></o:p>

Newton dit que la lumière est une particule avec une masse et une vitesse<o:p></o:p>

Einstein dit que le modèle du photon est la transformation d’un quantum d’énergie<o:p></o:p>

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3)  Dualité ondes-particules<o:p></o:p>

Les concepts classiques d’ondes et de particules sont insuffisants pour interpréter complétement la nature de la lumière.<o:p></o:p>

La lumière se comporte tantôt comme une onde tantôt comme une particule. Ce sont les conditions de l’expérience qui orientent son comportement. Pour désigner ce double comportement, on parle de dualité onde-particule.<o:p></o:p>

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V)         Particules matérielles et onde de matière<o:p></o:p>

1)  L’hypothèse de de Broglie<o:p></o:p>

En 1924, Louis de Broglie propose de généraliser la dualité à tous les objets microscopiques.<o:p></o:p>

Son hypothèse est confirmée en 1927 par l’observation de phénomène de diffraction pour des électrons.<o:p></o:p>

Quelques années plus tard on observait le phénomène d’interférence confirmait l’hypothèse de de Broglie à 100%.<o:p></o:p>

Les objets microscopiques de la matière présentent comme la lumière une dualité ondulatoire et particulaire.<o:p></o:p>

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2)  Relation de de Broglie<o:p></o:p>

Pour unifier ce double comportement de la matière, la relation de Broglie introduit la notion d’onde-matière.<o:p></o:p>

À chaque particule en mouvement est associé une onde de matière de longueur d’onde λ liée à la quantité de mouvement p de la particule par la relation de Broglie<o:p></o:p>

 

Avec p : la quantité de mouvement en Kg.m.s^-1<o:p></o:p>

h : la constante de Planck (h= 6,34.10^-31)<o:p></o:p>

λ : la longueur d’onde en m<o:p></o:p>

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3)  Condition d’observation du comportement ondulatoire<o:p></o:p>

Le comportement ondulatoire des objets microscopique est significatif. Lorsque la dimension de l’obstacle ou de la forme est de l’ordre de la grandeur de la longueur d’onde.<o:p></o:p>

Comme la constante de Planck est extrêmement faible, les objets du quotidien ont un comportement ondulatoire est indécelable<o:p></o:p>

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VI)      Aspects probabilistes des phénomènes quantiques<o:p></o:p>

Les phénomènes quantiques interviennent sur des objets microscopique mais ne peuvent pas s’employer par les lois mécaniques classiques : c’est la physique quantique.<o:p></o:p>

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Dans l’étude des phénomènes quantique la trajectoire n’est pas pertinente puisqu’on ne peut pas la définir.<o:p></o:p>