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La physique quantique Fiche bac

I

Les transferts quantiques d'énergie

A

La quantification de l'énergie

La notion de quanta d'énergie marque le début de la physique quantique. L'hypothèse (faite par Planck) consiste à considérer que l'énergie lumineuse n'est pas une fonction continue mais composée d'un ensemble de valeurs discrètes appelée quantum d'énergie.

Quantum d'énergie

Le quantum d'énergie \(\displaystyle{E}\) transportée par une onde lumineuse de fréquence \(\displaystyle{\nu}\) et de longueur d'onde \(\displaystyle{\lambda}\) est donné par la relation suivante :

\(\displaystyle{E = h \times \nu = h \times \dfrac{c}{\lambda}}\)

Avec :

  • E le quantum d'énergie (en J)
  • h la constante de Planck (J.s)
  • \(\displaystyle{\nu}\) la fréquence de l'onde (en Hz)
  • c la célérité de la lumière (en m.s−1)
  • \(\displaystyle{\lambda}\) la longueur d'onde de l'onde (en m)
B

Les interactions entre la lumière et la matière

La quantification des niveaux d'énergie au sein des atomes est à la base des processus d'émission et d'absorption de la lumière.

-

Récapitulatif des différents phénomènes d'absorption et d'émission

  • Un atome change de niveau d'énergie par transfert d'électrons qui émettent ou absorbent des photons appartenant au domaine de l'ultraviolet et du visible. Ce sont des transitions électroniques.
  • Une molécule passe d'un état vibratoire à un autre par émission ou absorption de photons appartenant au domaine de l'infrarouge.
C

L'application au laser

Laser

Le laser est un faisceau lumineux aux propriétés particulières obtenu en amplifiant de la lumière par émission stimulée.

Le processus d'émission stimulée permet d'obtenir deux photons avec une fréquence strictement identique. C'est pourquoi on l'utilise pour obtenir un faisceau avec une fréquence unique très précise.

-

Le fonctionnement d'un laser se décompose en plusieurs phases :

  • Le gaz d'atomes est mis dans une cavité optique.
  • Concurrence entre émission stimulée et absorption.
  • Utilisation du pompage optique pour maintenir les atomes dans un état excité (l'émission stimulée est prépondérante).
  • Amplification du faisceau grâce aux allers-retours entre les miroirs.

Le laser possède des propriétés uniques :

  • Une très grande directivité
  • Une très grande monochromacité
  • Une concentration énergétique spatiale et temporelle importante
II

Les phénomènes quantiques

A

La dualité onde − particule

Dualité onde-particule

La dualité onde − particule est un concept de la physique quantique dans lequel un objet physique quelconque se comporte à la fois comme une onde et comme une particule, la manifestation de l'un ou l'autre des comportements dépendant des conditions expérimentales.

B

Le comportement particulaire de la lumière

Si la lumière a longtemps été considérée comme une onde, c'est parce qu'elle subissait les phénomènes de diffraction et d'interférences propres aux ondes.

L'effet Compton a permis de montrer l'implication de la lumière dans des collisions avec des électrons et donc de justifier le comportement particulaire de la lumière.

C

Le comportement ondulatoire de la matière

Relation de De Broglie

La relation de De Broglie traduit la dualité onde − corpuscule en faisant correspondre la quantité de mouvement, d'une particule, à la longueur d'onde, d'un rayonnement :

\(\displaystyle{p=\dfrac{h}{\lambda}}\)

Avec :

  • \(\displaystyle{\lambda}\) la longueur d'onde (en m) du rayonnement
  • p la quantité de mouvement de la particule (en kg.m.s−1)
  • h la constante de Planck ( \(\displaystyle{h=6,63.10^{-34}}\) J.s)

Ainsi, il est possible de réaliser une figure de diffraction ou d'interférences avec des électrons et même d'autres particules plus massives, ce qui illustre bien le comportement ondulatoire de la matière.

D

Le caractère probabiliste des phénomènes quantiques

La réalisation d'une figure d'interférences particule par particule permet de mettre en évidence le caractère probabiliste propre aux phénomènes quantiques.

Les phénomènes quantiques répondent à des lois de probabilités si bien qu'ils n'ont de sens que si on les étudie sur un grand nombre de particules.