1- Ondes et particules

Le premier thème du programme de Tle S, le thème « Observer», s’intéresse à la problématique des ondes et de l’interaction entre les ondes et la matière. Ce thème se situe dans le prolongement du programme de Première S (interaction lumière-matière, photon, spectre d’absorption, loi de Beer-Lambert…). Les ondes transportent de l’information et les physiciens s’emploient à exploiter et à interpréter ces « messages ». I/ Rayonnement ondulatoire :

On appelle onde (progressive) une perturbation qui se propage de proche en proche et qui s’accompagne d’un transport d’énergie sans transport de matière.

1) Rayonnement électromagnétique :

Le rayonnement électromagnétique est un rayonnement issu de la propagation d’ondes électromagnétiques. Une onde électromagnétique peut être décrite par :

- sa fréquence f (Hz)

- sa longueur d’onde (m) - sa vitesse de propagation, appelée célérité et notée c (m.s-1)

La fréquence correspond au nombre de motifs élémentaires en une seconde. Ces trois grandeurs physiques peuvent être reliées grâce à la formule :

où

T est la période de l’onde et s’exprime en seconde (s). La vitesse de propagation d’une onde électromagnétique dépend du milieu de propagation. Dans le vide, c=3.108 m.s-1.

Tle S, fig 2 p37, HATIER

Onde électromagnétique sinusoïdale

Exemples : 1) Soit une onde lumineuse de longueur d’onde 450nm et se propageant dans le vide. Calculer sa fréquence.

2) Le rayonnement (gamma) est également un rayonnement électromagnétique. Chercher ses caractéristiques (f

et ) dans le vide :

Exemples de source de

rayonnements Radio

Infrarouge (IR)

Ultraviolet (UV)

2) Ondes acoustiques :

Le rayonnement acoustique est un rayonnement issu de la propagation d’ondes acoustiques. Ces ondes acoustiques peuvent être des ondes sonores audibles ou non audibles (infrasons et ultrasons). Les ondes sonores font partie de la famille des ondes mécaniques. Contrairement aux ondes électromagnétiques, les ondes mécaniques ont besoin d’un support matériel (eau, air…) pour se propager. Les ondes mécaniques ne se propagent donc pas dans le vide. Exemple : la houle, les ondes sismiques, le son sont des ondes mécaniques.

La physique sans équation et sans aspirine

II/ Rayonnements particulaires :

1) Rayonnements particulaires : Il existe d’autres types de rayonnement que nous avons déjà rencontrés dans les classes antérieures. C’est le cas du :

- rayonnement : Le rayonnement est un rayonnement lié à l’émission de particules : des noyaux d’hélium. Citer d’autres rayonnements particulaires vus en radioactivité : - rayonnement …………. : …………………………………………………………………………………………………………………………………………… - rayonnement …………. : …………………………………………………………………………………………………………………………………………… On peut également parler du rayonnement cathodique qui correspond en fait à l’émission d’électrons par une cathode.

Faire une recherche sur le rayonnement cathodique.

2) Dualité onde-corpuscule : L’an dernier, il a été vu que l’énergie électromagnétique (c'est-à-dire l’énergie d’une radiation électromagnétique) est quantifiée c'est-à-dire qu’une onde électromagnétique transporte l’énergie par quantum (paquet indivisible) d’énergie. La formule de Planck permet de relier la fréquence de l’onde électromagnétique et son quantum d’énergie :

E : quantum d’énergie (Joule J) h : constante de Planck (J.s) f : fréquence de l’onde électromagnétique (Hz)

voir document sur Max Planck Exemple : Calculer le quantum d’énergie d’une onde lumineuse de longueur d’onde 450nm et se propageant dans le vide.

De cette notion de quantum d’énergie découle naturellement la notion de photon : une « particule de lumière » dont l’énergie serait égale à ce fameux quantum.

La lumière est à la fois une onde et à la fois une particule. En fait, toute particule en mouvement a des caractéristiques ondulatoires.

Faire une recherche sur la particule associée à l’onde acoustique.

III/ Effets des rayonnements ondulatoires et particulaires :

1) Effets ionisants : Les rayonnements peuvent parfois avoir des effets ionisants c'est-à-dire qu’ils peuvent provoquer l’ionisation (c’est à dire la formation d’ions) du milieu qu’ils traversent. Ces rayonnements doivent posséder une énergie importante capable de briser des liaisons covalentes. C’est le cas :

- des rayonnements particulaires ou

- mais aussi de certains rayonnements électromagnétiques (rayon X ou rayon ) Cet effet présente un danger notamment pour les organismes vivants puisqu’ils sont capables de briser les molécules d’ADN et d’être à l’origine de tumeurs et cancers.

Comment capter un rayonnement : Faire une recherche sur l’expérience de la feuille d’or de Rutherford

2) Rayonnements et atmosphère terrestre :

Il a été vu l’an dernier que l’atmosphère terrestre est capable d’absorber les rayonnements et en particulier les rayonnements de type électromagnétique. La présence de raies d’absorption traduit par exemple la présence d’eau dans l’atmosphère. (1S, p62, BORDAS)