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A- Les particules et les ondes

1ère S : Devoir n°2 corrigé. Exercice n°1: la vision des couleurs. Qu'est-ce .... Exercice 3: l'effet photoélectrique. Une plaque métallique, appelée cathode, est ...




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Dualité Onde-Particule
Compétences travaillées

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
Connaitre et utiliser la relation  EMBED Equation.3 
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

Doc 1- Les particules et les ondes
Le modèle standard de la physique postule que l' HYPERLINK "http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=6616" univers est un gigantesque jeu de construction dans lequel la matière est composée d'objets appelés atomes, eux-mêmes constitués d' HYPERLINK "http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=7332" électrons, de  HYPERLINK "http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=8537" protons et de  HYPERLINK "http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=8533" neutrons, eux-mêmes constitués de quarks. Dans le modèle standard, une particule élémentaire présente des caractéristiques qui lui sont propres à un instant donné: position, vitesse, dimension, énergie cinétique, énergie potentielle, énergie de masse (E=m.c2), quantité de mouvement … Une particule est en résumé un ensemble de propriétés très localisées de l’espace.
(Image : traces de particules élémentaires produites lors de la collision de deux protons)
Une onde, quant-à elle, est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales de l’espace. Elle transporte de l' HYPERLINK "http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=1724" énergie sans transporter de  HYPERLINK "http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=8140" matière. Dans l’exemple d’un son dans l’air, une onde de pression se propage dans l’air sans « courant » d’air. De même, des vagues peuvent se déplacer à la surface de l’eau dans le sens contraire du courant. Les ondes électromagnétiques (ondes hertziennes, ondes IR, …) se propagent quant-à elles non-seulement dans certains milieux matériels mais également dans le vide. Une onde est un objet étendu et en déplacement dans l’espace ayant des propriétés spécifiques : vitesse, énergie, longueur d’onde, fréquence, interférences constructives et destructives, diffraction par une ouverture…
(Image : vagues en bord de plage)


Citer quelques différences fondamentales entre le concept de particule et le concept d’onde

Doc 2- Activité page 376 (Animation livre numérique)
















Calculer la longueur d’onde de l’onde de de Broglie dans le cas d’un électron dont les caractéristiques sont les suivantes :
Vitesse : v0= 2,0.106 m/s
Charge : e = -1,6.10-19 C
Masse : m = 9,1.10-31 kg
En calculant la longueur d’onde de l’onde de de Broglie associée à un grain de poussière de masse m=10-15 kg, de diamètre 1 ¼m et de vitesse 0,001 m/s, justifier que la nature ondulatoire du grain de poussière est négligeable à son échelle et est indétectable pour un objet de taille macroscopique.

Doc 4- Exercice corrigé page 388

Doc 5- Activité page 377
 HYPERLINK "http://subaru.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/divers/interphot.html" http://subaru.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/divers/interphot.html

LES POINTS IMPORTANTS A RETENIR
1)Dualité onde-copuscule
- la lumière, une onde: les phénomènes de diffraction et d'interférences nous permettent d'affirmer que la lumière est une onde
-L'énergie E d'une OEM est égale au produit de la constante de Planck 'h' par la fréquence  EMBED Equation.3 de l'OEM:
 EMBED Equation.3 
Unité: E(J), h = 6,63x10-34 J.s,  EMBED Equation.3 (Hz)
Exemple: calculer l'énergie des rayonnements rouge et bleu, se déplaçant dans le vide, de longueur d'onde respectives EMBED Equation.3 . La célérité de la lumière dans le vide est c = 3,00x108 m.s-1.
Plus la longueur d'onde est grande plus l'énergie est faible.
En 1905 Albert Einstein postule que la lumière est constituée d'un flux de particules appelées photons. Il explique ainsi l'effet photoélectrique mis en évidence par Hertz en 1887: la lumière est constituée de particules appelées photons.
2) relation de Louis De Broglie
En 1924 De Broglie généralise la dualité onde particule admise pour la lumière à tous objets microscopiques (électrons protons neutrons..). Cette dualité a été mise en évidence en 1927 par l'observation du phénomène de diffraction puis, plus tard, d'interférence pour les électrons. De Broglie introduit la notion d'onde de matière.
Relation de de Broglie: à chaque particule en mouvement on associe une onde de matière de longueur d'onde  EMBED Equation.3 liée à la quantité de mouvement p de la particule par la relation suivante:
 EMBED Equation.3 
Unité: p (kg.m.s-1); h(J.s);  EMBED Equation.3 
Remarque:  EMBED Equation.3 =h/p, si la masse est important p = m.v est grand donc  EMBED Equation.3 est très faible. Pour observer le phénomène de diffraction il faut que l'ouverture soit de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde ce qui devient impossible pour des valeurs de  EMBED Equation.3 trop faible. Le caractère ondulatoire de l'électron ne peut pas être mis en évidence.
Le comportement ondulatoire des objets microscopiques est significatif lorsque la dimension 'a' de l'obstacle ou de l'ouverture est du même ordre de grandeur que leur longueur d'onde de matière  EMBED Equation.3 .
Exemple: Déterminer la longueur d'onde de l'onde de matière associée à un électron de masse m = 9,11x10-31 kg et de vitesse v = 400 m.s-1. Quelle est la taille de l'ouverture permettant d'observer la diffraction d'un faisceau d'électrons possédant ces caractéristiques?
3) aspect probabiliste des phénomènes quantiques
La mécanique quantique a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes à l'échelle  HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/Atome" \o "Atome" atomique. Développée au début du XXe siècle elle à permis d'expliquer des phénomènes comme l’effet photoélectrique, ou l'existence des raies spectrales. Parmi ces concepts, on peut citer la  HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/Dualit%C3%A9_onde_corpuscule" \o "Dualité onde corpuscule" dualité onde corpuscule, l' HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/Amplitude_de_probabilit%C3%A9" \o "Amplitude de probabilité" amplitude de probabilité .. En mécanique quantique les objets microscopiques ou les OEM ont des niveaux d'énergie quantifiés et non continus comme en mécanique classique.
Les particules du monde microscopique sont soumises à des lois probabilistes. Seule l'étude d'un grand nombre de particules permet d'établir un comportement.




REPONSES

Doc 1
Citer quelques différences fondamentales entre le concept de particule et le concept d’onde.
particuleOndePrésente des propriétés très localiséesPrésente des propriétés étenduesObjet qui peut se déplacer ou pasObjet qui se propageEnergie liée à la masse de la particulePropagation d’une certaine forme d’ énergieTaille propre de la particuleLongueur d’onde

Doc 3
 EMBED Equation.3 =3,6.10-10 m

 EMBED Equation.3  = 6,6.10-16 m. Cette longueur d’onde est très petite par rapport à la taille du grain de poussière : caractère ondulatoire du grain de poussière négligeable à son échelle et indétectable à plus grande échelle encore.




Doc 3- L’hypothèse ondulatoire de de Broglie (1923)
L'étude des spectres d'émission et d'absorption des atomes mit en évidence un fait fondamental, que la physique classique ne permettait pas de comprendre : ces spectres sont constitués de raies fines; autrement dit, un atome donné n'émet ou n'absorbe que des photons de fréquences (c'est-à-dire d'énergie) bien déterminées. Ce fait s'interprète très bien si l'on admet que l'énergie de l'atome est quantifiée, c'est-à-dire qu'elle ne peut prendre que certaines valeurs discrètes : l'émission ou l'absorption d'un photon s'accompagne alors d'un «saut» de l'énergie de l'atome d'une valeur permise Ei à une autre Ef, et la conservation de l'énergie implique que le photon ait une fréquence  EMBED Equation.3 telle que  EMBED Equation.3 . Seules des fréquences obéissant à cette relation peuvent donc être émises ou absorbées par l'atome. L'existence de tels niveaux d'énergie discrets fut confirmée expérimentalement.
En 1923, par analogie avec les photons, Louis de Broglie proposa, pour les particules matérielles, de lier la quantité de mouvement à une longueur d'onde caractéristique:  EMBED Equation.3 . La longueur d'onde  INCLUDEPICTURE "http://uel.unisciel.fr/chimie/strucmic/strucmic_ch01/res/apprendre_ch1_24_1.png" \* MERGEFORMATINET  est appelée longueur d'onde de de Broglie./0GRSgwxÙÚüý    ïâо³¤•†•¤w¤w¤d¤G2d)jh@kƒhÅJCJEHîÿOJQJUaJ8j£¹ùT
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Remarque : h est appelée constante de Planck h = 6,63.10-34 J.s










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