physique quantique (MP) · Chapitre 2 · Exercice de TD
La fente qui localise : diffraction et inégalité de Heisenberg
Particule libre et densité de courant de probabilité · D. Le paquet d'ondes · niveau 2
Énoncé
Un faisceau de neutrons froids de longueur d'onde se propage selon , traverse une fente de largeur parallèle à , puis atteint un détecteur à . On étudie le mouvement transverse, selon : avant la fente, l'onde est plane, , d'impulsion transverse nulle.
1) Calculer la vitesse et l'énergie cinétique d'un neutron. Pourquoi « froids » ?
2) Avant la fente, que valent les largeurs et ? Juste après, que vaut ? En déduire, par l'inégalité de Heisenberg spatiale en ordre de grandeur, , puis l'angle dont le faisceau s'ouvre. Comparer à la diffraction par une fente ; interpréter en termes d'ondes planes.
3) Estimer la demi-largeur, sur le détecteur, de l'élargissement dû à cette ouverture.
4) Justifier que la largeur totale du faisceau sur le détecteur vaut, en ordre de grandeur, . Pour quelle largeur de fente est-elle minimale ? Valeur de . Pourquoi ne peut-on pas faire mieux ?
5) Cas limites. Discuter et . Reprendre l'estimation pour un tube cathodique (électrons de , diaphragme de , écran à , pixel de ), puis pour une balle de tennis (, ) passant une porte de .
Corrigé
La stratégie. La fente prépare un état localisé dans la direction transverse ; l'inégalité de Heisenberg en dit le prix : une dispersion de l'impulsion transverse, donc une ouverture. On la compare à la diffraction, puis on cherche le meilleur compromis entre largeur géométrique et élargissement.
1) Des neutrons lents. , , cent fois moins que à l'ambiante : ces neutrons ont été ralentis par un modérateur refroidi.
2) Localiser coûte de l'impulsion. Avant la fente, l'onde ne dépend pas de : exactement () et est uniforme selon ( infinie). Juste après, . L'inégalité de Heisenberg en ordre de grandeur, , impose . La norme de l'impulsion ne change pas (énergie conservée, ) : , et C'est exactement l'angle du premier zéro de diffraction par une fente, : les deux descriptions coïncident. En ondes planes : limitée à une largeur , l'onde n'est plus une onde plane unique, mais une superposition d'ondes planes dont les s'étalent sur , donc dont les directions s'étalent sur . Localiser selon , c'est superposer des impulsions transverses différentes. (Le coefficient, plutôt que , tient à la largeur choisie, au premier zéro : le problème y revient.)
3) L'élargissement. , du même ordre que la fente elle-même : à cette distance les deux effets sont comparables, et ces valeurs sont des ordres de grandeur.
4) Le compromis. Le faisceau sort avec la largeur et chaque bord s'ouvre de : . La dérivée s'annule pour Pour , ; pour , : rétrécir la fente élargit le faisceau. Le produit des deux termes vaut , indépendant de : on ne peut pas les rendre petits ensemble. C'est Heisenberg à l'œuvre.
5) Cas limites. : , la fente devient une source quasi ponctuelle. : , propagation rectiligne, trajectoires classiques. Tube cathodique : (correction relativiste de 1 %) et , six mille fois moins qu'un pixel : les trajectoires classiques suffisent, c'est pourquoi l'optique électronique raisonne sur des trajectoires. Balle de tennis : , : aucun sens physique.
Ce que l'exercice installe. Localiser, c'est superposer : une particule limitée à une largeur est une superposition d'ondes planes d'impulsions transverses dispersées sur , d'où l'ouverture de la diffraction. Le compromis entre largeur géométrique et élargissement fixe la meilleure collimation, . Critère de classicité : l'élargissement comparé à la résolution de l'observation.
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