QCM N° 15 Transfert quantique d'énergie et dualité onde-corpuscule.

QCM N° 15 : Transferts quantiques d’énergie et dualité onde particule : AIDE 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} m_e = 1,67265 × 10^–27 kg ; m_e = 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 p_r la quantité de mouvement d’un photon de lumière rouge et p_v la quantité de mouvement d’un photon de lumière violette :	p_r = p_v	p_r < p_v	p_r > p_v	B
3	Le rapport des longueurs d’onde associées à un proton (m_p = 1 u) et à une particule α ( alpha : m_α = 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^–1permet 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

Questionnaire a été réalisé avec Questy Pour s'auto-évaluer

AIDE

► 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})

- Comme m_p > m_e, la vitesse du proton est inférieure à la vitesse de l’électron car l’électron et le proton ont la même quantité de mouvement.

► Quantité de mouvement et longueur d’onde :

- relation

► Longueur d’onde et vitesse :

- relation

- En conséquence :

- relation

► 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 :

énergie d'un photon

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 :

- lambda = 497 nm

- Couleur de la radiation : elle appartient au domaine du visible.

couleur

► Longueur d’onde du faisceau d’électrons :

- Valeur de la quantité de mouvement pour un électron du faisceau :

- lambda = 1,8 E-9 m

► 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.

Fentes de 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.

► Émission stimulée.

- 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.

► Inversion de population.

- 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.

► Transitions énergétiques.

- 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