Cours de tleS – Généralisation à la particule physique – Terminale
Introduction
- La dualité onde-particule, deux modèles a priori contradictoires, ces deux modèles constituent deux descriptions complémentaires d’un seul et même objet physique.
- L’aspect ondulatoire permet d’interpréter les interactions lumière-lumière (diffraction, interférences).
- L’aspect corpusculaire permet d’interpréter les interactions lumière-matière (absorption et émission de lumière).
- Les relations de Louis Broglie sont la généralisation à tout corpuscule ou onde de matière des relations de Planck-Einstein.
Quelques rappels sur le photon
- Le photon est la particule élémentaire des ondes électromagnétiques.
- Il a une vitesse dans le vide qui est celle de la lumière c = 3,00 x 108s-1 et une énergie E. il est indivisible et forme un quantum d’énergie lumineuse.
- Comme une onde, il possède une fréquence f et une longueur d’onde λ dans le vide ; ces deux grandeurs sont reliées par la relation .
- L’énergie E du photon et sa fréquence f sont reliées par la relation E = hf où h = 6,62 x 10-34 J.s est la constante de Planck.
Généralisation à la particule physique
La particule physique
- La particule physique est une partie minimale d’un système physique qui peut être de la matière (proton, électron, neutron) ou une onde (photon, phonon).
- Il existe beaucoup d’autres particules que les cinq citées. Leur étude est une discipline à part entière : la physique des particules.
Onde de matière
- Louis de Broglie, physicien français, a émis en 1924, l’hypothèse que si l’on pouvait associer une particule, le photon, à l’onde lumineuse, on pouvait peut-être associer réciproquement une onde à toute particule. Cette intuition a été confirmée en 1927 lorsqu’on observe expérimentalement une figure de diffraction obtenue avec un faisceau d’électrons.
- A toute particule, même matérielle, on peut associer une onde appelée « onde de De Broglie ».
- Il y a donc généralisation de la dualité onde-particule.
Relation de De Broglie
- Pour le photon (de masse nulle), on a admis la relation entre énergie E et longueur d’onde λ.
- Pour une autre particule matérielle de masse m, on admet la relation de De Broglie entre la quantité de mouvement p et la longueur d’onde λ : . L’expression de p dépend du cas à considérer :
- Pour un photon les deux relations sont compatibles en prenant .
- Pour une particule de masse m, en mécanique classique, p = mv.
- Pour une particule de masse m, en mécanique relativiste p = γmv.
Lorsque v est très faible devant c (on prend en général v ≤ 0,15 c), γ vaut presque 1 et cette formule s’identifie à la précédente.
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