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Fiche à trous · Terminale · Physique-Chimie

Physique quantique — Dualité onde-corpuscule

Complétez de mémoire, puis vérifiez avec la page de corrigé.

Une lampe rouge de mille watts n'arrache aucun électron à un métal qu'une faible lampe bleue suffit à ioniser. C'est cette expérience qui a obligé la physique à admettre que la lumière arrive par paquets.

L'effet photoélectrique

Règle

2

Piège

Penser qu'une lumière rouge suffisamment intense finira par extraire des électrons du métal.

L'intensité donne le nombre de photons, la fréquence leur énergie.

Définition — Photon :

4

Propriété

6

La dualité onde-corpuscule

Règle

Propriété

9

Les niveaux d'énergie

Règle

11

Un spectre d'émission montre des raies brillantes sur fond noir — l'atome excité restitue des photons d'énergies déterminées. Un spectre d'absorption montre des raies sombres sur fond continu — l'atome prélève exactement les mêmes énergies dans une lumière blanche qui le traverse. Les raies sont aux mêmes positions dans les deux cas : c'est ce qui permet d'identifier un élément dans l'atmosphère d'une étoile qu'on n'atteindra jamais.

Exploiter un spectre de raies ou un seuil photoélectrique

  1. 12.
  2. 13.
  3. 14.
  4. 15.
  5. 16.
  • Ai-je attribué à la fréquence l'énergie, et à l'intensité le nombre de photons ?
  • Ai-je écrit qu'un photon est absorbé en entier ou pas du tout ?
  • Mon énergie cinétique est-elle bien la différence entre et le travail d'extraction ?
  • Ai-je rapporté une raie à une différence de niveaux d'énergie ?
  • Ai-je présenté la dualité comme une limite de nos modèles, non du réel ?
  • Ai-je vérifié les unités — joules ou électronvolts ?

Corrigé · à détacher

Physique quantique — Dualité onde-corpuscule

  1. 1. L'effet photoélectrique est l'extraction d'électrons d'un métal éclairé. Il dépend de la fréquence de la lumière, non de son intensité : en dessous d'une fréquence seuil propre au métal, aucun électron n'est arraché, quelle que soit la puissance de la source. Au-dessus du seuil, l'extraction est immédiate, même à très faible intensité, et augmenter l'intensité augmente le nombre d'électrons extraits, jamais leur énergie.
  2. 2.
  3. 3. Le photon est le grain élémentaire de lumière. Son énergie est proportionnelle à la fréquence du rayonnement, le coefficient de proportionnalité étant la constante de Planck. Un photon est indivisible : il est absorbé en entier ou pas du tout, ce qui explique l'existence d'un seuil net et l'absence de tout délai d'accumulation.
  4. 4.
  5. 5. Le bilan énergétique de l'extraction s'écrit simplement : l'énergie du photon sert d'abord à arracher l'électron — c'est le travail d'extraction, propre au métal —, et l'excédent devient l'énergie cinétique de l'électron émis. L'énergie cinétique maximale croît donc linéairement avec la fréquence, et ne dépend pas de l'intensité.
  6. 6.
  7. 7. La lumière présente selon les expériences un comportement ondulatoire — interférences, diffraction — ou corpusculaire — effet photoélectrique, effet Compton. C'est la dualité onde-corpuscule. Elle ne signifie pas que la lumière serait « les deux à la fois » ou « tantôt l'un tantôt l'autre » selon son humeur : elle signifie que nos deux modèles classiques sont chacun incomplets, et que le dispositif expérimental détermine lequel rend compte du résultat.
  8. 8. Cette dualité ne concerne pas que la lumière. De Broglie a associé à toute particule de quantité de mouvement une longueur d'onde, ce qui a été confirmé par la diffraction d'électrons. La longueur d'onde associée est d'autant plus petite que la particule est massive et rapide : elle est mesurable pour un électron, et totalement négligeable pour un objet macroscopique — d'où l'absence d'effets quantiques visibles à notre échelle.
  9. 9.
  10. 10. L'énergie d'un atome ne prend que certaines valeurs : ses niveaux d'énergie sont quantifiés. Un atome passe d'un niveau à un autre en absorbant ou en émettant un photon dont l'énergie vaut exactement la différence entre les deux niveaux. C'est pourquoi les spectres atomiques sont des spectres de raies et non des spectres continus : seules certaines transitions existent, donc seules certaines fréquences apparaissent.
  11. 11.
  12. 12. Identifier la grandeur donnée : une fréquence, une longueur d'onde, ou une énergie ?
  13. 13. Convertir si nécessaire, en gardant les unités du système et en repérant les électronvolts.
  14. 14. Pour un seuil, comparer l'énergie du photon au travail d'extraction du métal.
  15. 15. Pour une raie, rapporter l'énergie du photon à une différence entre deux niveaux, jamais à un niveau seul.
  16. 16. Vérifier la cohérence : au-dessous du seuil, rien ; au-dessus, une énergie cinétique croissante avec la fréquence.