Centrale Physique 1 PC 2020Sujet, corrigé et rapport du jury
Mesure de la force de van der Waals entre atomes de Rydberg
Faisable en sup ?
Faisable en partie en PCSI : 19 questions sur 47. Autres questions faisables en PCSI
Autres premières années : MPSI 18 · PTSI 9 · MP2I 18 · TSI1 18 · BCPST1 10 questions.
Détail par partie
- Partie I : Étude la force de van der Waals3/14En partie
- Partie II : Atomes de Rydberg10/12En partie
- Partie III : Mesure de l'énergie potentielle d'interaction de van der Waals à l'aide d'atomes de Rydberg piégés6/21En partie
Téléchargements
Présentation du sujet
AccessibleInteraction de van der Waals entre atomes de Rydberg de rubidium piégés par pinces optiquesAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
AccessibleLe sujet étudie, d'abord en théorie puis par l'expérience, l'interaction de van der Waals entre deux atomes de rubidium dans des états très excités dits de Rydberg. Il part du dipôle électrostatique et de la polarisabilité atomique, passe par le modèle de Bohr pour décrire les atomes de Rydberg, puis analyse le piégeage d'atomes par un faisceau laser gaussien et la mesure de l'énergie d'interaction. Chaque partie est progressive et contient de nombreuses questions de cours.
- 1Partie I : étude de la force de van der WaalsDipôle électrostatique, potentiel et champ à grande distance, polarisabilité d'un atome par le théorème de Gauss et interaction entre deux atomes de rubidium.
- 2Partie II : atomes de RydbergModèle de Bohr de l'atome d'hydrogène, états de Rydberg d'un atome hydrogénoïde et moment dipolaire induit, avec une question ouverte sur documents.
- 3Partie III : mesure de l'énergie potentielle d'interaction à l'aide d'atomes piégésModèle de l'électron élastiquement lié en régime sinusoïdal forcé, puissance absorbée, faisceau laser gaussien comme pince optique et exploitation de mesures expérimentales.
Accessible. Le jury décrit un sujet de longueur raisonnable, progressif et sans trop de difficulté, tout en jugeant les résultats décevants.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 6,99 / 20 · écart-type 4,18 · 3 555 présents · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 6,99/ 20
- Écart-type
- 4,18
- Présents
- 3 555
- Coefficient
- 15
- Durée
- 4 h
- 1er quartile
- 3,7
- Médiane
- 6,3
- 3e quartile
- 9,6
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : document officiel du concours, épreuve du 29 juin 2020. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesDéfinition du dipôle électrostatique mal connue · Dipôle induit et dipôle rigide confondus · Résultat de l'énoncé recopié après un calcul fauxAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe sujet était progressif et riche en questions de cours, mais beaucoup de candidats ne l'ont pas traité en entier et les résultats sont jugés décevants. La validation des résultats (homogénéité, ordres de grandeur) reste rare alors qu'elle est valorisée. Les réponses partielles aux questions à plusieurs volets sont fréquentes.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Définition du dipôle électrostatique mal connueQ1, Q2
Beaucoup confondent dipôle électrostatique, dipôle magnétique et dipôle électrocinétique ; la molécule d'eau, exemple type, est trop rarement citée.
- 2Dipôle induit et dipôle rigide confondusQ6
Il fallait décrire la déformation du nuage électronique sous l'effet du champ extérieur ; un schéma suffisait presque. La positivité de la polarisabilité ne se déduit pas d'une norme.
- 3Résultat de l'énoncé recopié après un calcul fauxQ19
Donner le résultat fourni par le sujet après une expression littérale fausse est assimilé à de la malhonnêteté intellectuelle ; l'erreur principale était d'oublier une partie de l'énergie mécanique.
« la malhonnêteté intellectuelle est jugée avec sévérité par le jury, avec une incidence négative très forte sur la note finale »
- 4Chiffres significatifs et arrondisQ21, Q22
Un entier issu de la quantification n'affecte pas la précision ; il faut garder un chiffre de plus dans les calculs intermédiaires pour éviter la propagation des arrondis.
- 5Régime sinusoïdal forcé sans notation complexeQ29, Q30
De nombreux candidats ne savent pas résoudre l'équation de l'oscillateur forcé par la méthode complexe et s'enlisent en injectant directement une solution en cosinus.
- 6Faisceau gaussien mal interprétéQ39
Le schéma de cours n'est pas à l'échelle : le faisceau diverge dès le départ, très progressivement, et peut être considéré comme cylindrique tant que la distance reste petite devant la longueur de Rayleigh.
Ce qui a été bien réussi
- La partie II.A sur l'atome d'hydrogène est bien réussie dans l'ensemble.
- La question Q18 a permis à certains candidats de gagner des points malgré un début de sujet mal traité.
- L'application du théorème de Gauss est généralement maîtrisée (Q7), même si la rédaction laisse à désirer.
- La fin de la partie III.A est plutôt bien réussie.
Conseils du jury
- Apprendre le cours : de nombreux points s'obtiennent en le citant ou en l'appliquant directement.
- Parcourir tout le sujet en première lecture pour en saisir la logique et repérer les questions permettant de se relancer.
- Commenter chaque résultat : analyse dimensionnelle, ordre de grandeur, vérification d'une valeur de l'énoncé.
- Répondre à toutes les sous-questions d'une même question et expliciter les liens logiques au lieu de paraphraser l'énoncé.
- Privilégier un schéma clair à une longue explication.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
Corrigé détaillé
47 questionsIndice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question, avec les remarques du jury.Afficher ou masquer la section
Corrigé détaillé
47 questions47 questions corrigées une à une : un indice, puis la stratégie, puis le corrigé complet avec le résultat encadré et les remarques du jury. Chaque question est vérifiée avant publication.
- Q1Rappeler la définition d'un dipôle électrostatique et de son moment dipolaire (il est conseillé de s'appuyer…
- Q2Donner un exemple de dipôle électrostatique rencontré dans la nature ainsi que l'ordre de grandeur du moment…
- Q3À quelle condition peut-on considérer que le point se trouve à grande distance de ?
- Q4Déterminer dans le système de coordonnées sphériques (figure 1) le champ électrique créé par le dipôle en un…
- Q5Tracer schématiquement sans démonstration les lignes de champ électrostatique associées au dipôle.
- Q6Justifier qualitativement la relation (I.1) et donner l'unité de dans le système international d'unités…
- Q7Quelle est l'expression de la force ressentie par l'électron en fonction des données du problème et de la…
- Q8On ajoute maintenant un champ extérieur supposé uniforme sur la dimension de l'atome. En admettant que…
Voir les 39 autres questionsMasquer les autres questions
- Q9En déduire une expression de dans le cadre de ce modèle et proposer un ordre de grandeur.
- Q10Proposer une explication qualitative de ce phénomène.
- Q11À partir de l'expression de l'énergie potentielle d'un dipôle dans un champ extérieur, montrer que la force…
- Q12En déduire que cette force peut se mettre sous la forme où est une constante dont on précisera le signe.
- Q13Cette force est-elle attractive ou répulsive ? Comment pouvait-on prévoir ce résultat sans calcul ?
- Q14En déduire l'énergie potentielle d'interaction entre les deux dipôles.
- Q15Pourquoi dans ce modèle l'électron admet-il un mouvement circulaire uniforme ?
- Q16Quelle propriété possède le moment cinétique de l'électron par rapport au noyau ?
- Q17Bohr a posé la condition de quantification du moment cinétique de l'électron qui s'écrit où est la constante…
- Q18Montrer que les rayons des orbites envisageables pour l'électron vérifient et exprimer (rayon de Bohr) en…
- Q19Montrer que les énergies mécaniques correspondantes s'expriment sous la forme, où sera exprimé en fonction…
- Q20Expliquer pourquoi représente l'énergie d'ionisation de l'atome d'hydrogène.
- Q21Calculer la valeur numérique du rayon de la trajectoire de l'electron d'un atome d'hydrogène dans un état de…
- Q22Quelle est la longueur d'onde du photon nécessaire pour placer un atome d'hydrogène dans un état de Rydberg…
- Q23Justifier que les niveaux d'énergie de ce système sont voisins des niveaux de Rydberg de l'hydrogène.
- Q24À l'aide d'un modèle simple, expliquer qualitativement pourquoi la transmission du réseau de fentes diminue…
- Q25Discuter le résultat obtenu pour la valeur de au dessus de laquelle la transmission devient négligeable…
- Q26À la lecture de ces documents, expliquer comment un atome de Rydberg acquiert un moment dipolaire électrique…
- Q27On considère que chaque atome est soumis à un champ électrique du type, créé par un laser. On néglige tout…
- Q28Déterminer le champ magnétique de l'onde (en assimilant le milieu au vide). Relier l'intensité de l'onde…
- Q29Exprimer dans ces conditions et en fonction des données.
- Q30Pourquoi l'atome absorbe-t-il de l'énergie à chaque cycle du champ électrique ?
- Q31Déterminer la puissance moyenne absorbée que l'on notera. Représenter graphiquement les variations de en…
- Q32Déterminer, dans le cas résonant, l'expression du déplacement et de la vitesse de l'électron.
- Q33Déterminer, dans le cas résonant, la valeur moyenne de la force de Lorentz agissant sur l'électron. Préciser…
- Q34Quelle interprétation corpusculaire qualitative peut-on donner à cette force ?
- Q35En tenant compte des conditions et, déterminer la polarisabilité, définie par la relation (I.1).
- Q36Montrer que l'énergie potentielle moyenne d'interaction de l'atome avec le laser est proportionnelle à…
- Q37Tracer schématiquement cette intensité en fonction de, la distance à l'axe, pour fixé.
- Q38Quelle est la signification physique de ?
- Q39Tracer la forme du faisceau laser dans un plan contenant l'axe, en identifiant deux zones suivant que ou.
- Q40Que représente la quantité ? Quelle analogie peut-on faire avec la diffraction obtenue par un trou de…
- Q41À quoi correspond la longueur de Rayleigh ?
- Q42Déterminer la position d'équilibre de l'atome dans le faisceau et étudier sa stabilité. Expliquer en quoi le…
- Q43On focalise le faisceau laser à l'aide d'une lentille convergente de distance focale, placée en. On ne tient…
- Q44Pourquoi ce dispositif permet-il de sélectionner un seul atome de rubidium placé dans un état de Rydberg ?
- Q45Pourquoi est-il nécessaire de se placer à très basse température et à très basse pression pour effectuer ces…
- Q46Les résultats de la figure 4 sont-ils compatibles avec l'expression de l'énergie potentielle de van der…
- Q47Justifier qualitativement qu'à donné l'énergie potentielle d'interaction augmente avec. Selon les données…
Description
Le sujet étudie, d'abord en théorie puis par l'expérience, l'interaction de van der Waals entre deux atomes de rubidium dans des états très excités dits de Rydberg. Il part du dipôle électrostatique et de la polarisabilité atomique, passe par le modèle de Bohr pour décrire les atomes de Rydberg, puis analyse le piégeage d'atomes par un faisceau laser gaussien et la mesure de l'énergie d'interaction. Chaque partie est progressive et contient de nombreuses questions de cours.
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Lecture du sujet en ligne
L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
Lecture du sujet en ligne
Introduction
Un ensemble de valeurs numériques et un formulaire sont disponibles en fin d'énoncé. Il est conseillé de les lire avant de commencer à traiter le sujet.
Les parties de ce sujet sont dépendantes entre elles mais le candidat pourra admettre un résultat pour aborder la partie suivante.
Certaines questions, peu ou pas guidées, demandent de l'initiative de la part du candidat. Leur énoncé est repéré par une barre en marge. Il est alors demandé d'expliciter clairement la démarche, les choix et de les illustrer, le cas échéant, par un schéma. Le barème valorise la prise d'initiative et tient compte du temps nécessaire à la résolution de ces questions.
I Étude la force de van der Waals
I.A -
Q 2. Donner un exemple de dipôle électrostatique rencontré dans la nature ainsi que l'ordre de grandeur du moment dipolaire de l'exemple choisi.
I.
Q 4. Déterminer dans le système de coordonnées sphériques (figure 1) le champ électrique créé par le dipôle en un point

I.
C - Polarisabilité d'un atome
Pour déterminer un ordre de grandeur de
- l'atome est assimilé à une sphère de centre
O et de rayona ; - la charge positive
e de l'atome est répartie uniformément dans le volume intérieur de cette sphère ; - la sphère est supposée fixe dans un référentiel galiléen propre à l'étude, auquel on associe le repère orthonormé
direct(O, e⃗_x, e⃗_y, e⃗_z) ; - l'électron se déplace librement à l'intérieur de la sphère ;
- on néglige l'interaction gravitationnelle devant l'interaction électromagnétique.
Q 8. On ajoute maintenant un champ extérieur
Q 9. En déduire une expression de
I.D - Interactions entre atomes de rubidium
Q 10. Proposer une explication qualitative de ce phénomène.
Pour modéliser le phénomène, on considère deux dipôles alignés sur un axe (

Q 12. En déduire que cette force peut se mettre sous la forme
Q 13. Cette force est-elle attractive ou répulsive ? Comment pouvait-on prévoir ce résultat sans calcul ?
Q 14. En déduire l'énergie potentielle d'interaction entre les deux dipôles.
On admettra par la suite que dans le cas général l'énergie d'interaction entre dipôles induits se met sous la forme
II Atomes de Rydberg
II.A - Atome d'hydrogène
On rappelle que le noyau est un proton de charge
Bohr fait également l'hypothèse que, parmi tous les mouvements de l'électron que la mécanique classique reconnait comme possibles, seuls sont stables et réalisés dans la nature ceux qui sont circulaires.
Q 15. Pourquoi dans ce modèle l'électron admet-il un mouvement circulaire uniforme ?
Q 16. Quelle propriété possède le moment cinétique de l'électron par rapport au noyau?
Q 17. Bohr a posé la condition de quantification du moment cinétique de l'électron qui s'écrit
Q 18. Montrer que les rayons
Q 19. Montrer que les énergies mécaniques
Q 20. Expliquer pourquoi
II.B - État de Rydberg d'un atome hydrogénoïde
Q 21. Calculer la valeur numérique du rayon de la trajectoire de l'electron d'un atome d'hydrogène dans un état de Rydberg
Q 22. Quelle est la longueur d'onde du photon nécessaire pour placer un atome d'hydrogène dans un état de Rydberg
On peut également préparer d'autres espèces atomiques dans un état de Rydberg. Par exemple, dans le cas du sodium (nombre de masse
Q 23. Justifier que les niveaux d'énergie de ce système sont voisins des niveaux de Rydberg de l'hydrogène. On envoie des atomes de sodium préparés dans un état de Rydberg à incidence normale sur une plaque métallique percée de fentes de largeur

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Q 25. Discuter le résultat obtenu pour la valeur de
II.C - Moment dipolaire induit d'un atome de Rydberg
de deux nombres quantiques,
Q 26. À la lecture de ces documents, expliquer comment un atome de Rydberg acquiert un moment dipolaire électrique sous l'action d'un champ électrique extérieur et, dans le cas où le nombre quantique
d'après «Physique Atomique», Tome1, B. Cagnac
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Document 3 : Dynamique de l'interaction dipôle-dipôle dans un gaz de Rydberg froid extrait de la thèse de doctorat en physique atomique et moléculaire de Nassim Zahzam (Paris 7, 2005)
Les orbites pour
Pour tenir compte des orbites pénétrantes, une théorie, développée surtout par Seaton, a vu le jour : la méthode du défaut quantique. L'interaction entre le cœur et l'électron de valence est limitée à une partie de l'espace autour du noyau. En dehors de cette région, le potentiel est coulombien et la fonction est par conséquent connue.
Pour des états de Rydberg autres que pour l'atome d'hydrogène, quand la distance
extrait d'un article de T.P. Hezel et al. publié dans l'American Journal of Physics, volume 60 nº4, avril 1992
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extrait d'un article de A. Browaeys, publié dans La Recherche
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III Mesure de l'énergie potentielle d'interaction de van der Waals à l'aide d'atomes de Rydberg piégés
III.A - Interaction d'un atome de rubidium avec un laser
Q 27. On considère que chaque atome est soumis à un champ électrique du type
On considère cette condition respectée par la suite.
Q 28. Déterminer le champ magnétique de l'onde (en assimilant le milieu au vide). Relier l'intensité de l'onde électromagnétique plane dans le vide (puissance électromagnétique moyenne transportée par unité de surface) à l'amplitude
L'atome de rubidium (
Q 29. Exprimer dans ces conditions
Q 30. Pourquoi l'atome absorbe-t-il de l'énergie à chaque cycle du champ électrique ?
Q 31. Déterminer la puissance moyenne absorbée que l'on notera
Lorsque la fréquence du laser est égale à la fréquence propre
Q 32. Déterminer, dans le cas résonant, l'expression du déplacement
Q 33. Déterminer, dans le cas résonant, la valeur moyenne de la force de Lorentz agissant sur l'électron. Préciser le sens de cette force moyenne et exprimer sa valeur en fonction de l'intensité de l'onde électromagnétique.
Q 34. Quelle interprétation corpusculaire qualitative peut-on donner à cette force ?
Pour comprendre l'origine de la force exercée par la pince optique sur un atome, nous considérons un atome de petites dimensions par rapport à l'extension spatiale du faisceau laser et à la longueur d'onde de celui-ci, placé en un point de coordonnées (
Q 35. En tenant compte des conditions
Q 36. Montrer que l'énergie potentielle moyenne d'interaction de l'atome avec le laser est proportionnelle à l'intensité du faisceau laser
Dans cette situation hors résonance, la composante selon
À l'aide de plusieurs paires de lasers se propageant dans des directions opposées et de fréquences légèrement désaccordées par rapport à la résonance, on peut considérablement ralentir des atomes de rubidium de façon à les amener à une température de l'ordre de
Dans ces conditions, il est possible de manipuler un par un les atomes placés dans un état de Rydberg à l'aide de faisceaux lasers non résonants vérifiant
Dans un faisceau laser gaussien de longueur d'onde
Q 37. Tracer schématiquement cette intensité en fonction de
Q 38. Quelle est la signification physique de
Q 39. Tracer la forme du faisceau laser dans un plan contenant l'axe (
Q 40. Que représente la quantité
Q 41. À quoi correspond la longueur de Rayleigh ?
Q 42. Déterminer la position d'équilibre de l'atome dans le faisceau et étudier sa stabilité. Expliquer en quoi le laser agit comme une pince optique sur l'atome.
Q 43. On focalise le faisceau laser à l'aide d'une lentille convergente de distance focale
Q 44. Pourquoi ce dispositif permet-il de sélectionner un seul atome de rubidium placé dans un état de Rydberg ?
III.B - Mesure de l'énergie potentielle d'interaction de van der Waals

Q 46. Les résultats de la figure 4 sont-ils compatibles avec l'expression de l'énergie potentielle de van der Waals donnée en question 14 ?
Q 47. Justifier qualitativement qu'à
Données et formulaire
Perméabilité magnétique du vide
Permittivité diélectrique du vide
Charge élémentaire
Constante de Planck
Constante de Blotzman
Constante d'Avogadro
Masse de l'électron
Rayon de Bohr
Énergie d'ionisation de l'atome d'hydrogène
Masse molaire du rubidium
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Centrale physique 1 PC 2020 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Centrale physique 1 PC 2020 ?
Il mobilise l'électrostatique (dipôle, théorème de Gauss), la mécanique du point et le modèle de Bohr, les ondes électromagnétiques, l'oscillateur en régime sinusoïdal forcé et l'optique des faisceaux laser gaussiens.
Quelles erreurs le jury de Centrale physique 1 PC 2020 a-t-il le plus relevées ?
Des définitions de cours imprécises (dipôle électrostatique, dipôle induit), des résultats recopiés de l'énoncé après un calcul faux, des chiffres significatifs incorrects et une mauvaise maîtrise de la notation complexe en régime forcé.
Le sujet Centrale physique 1 PC 2020 est-il difficile ?
Le jury le juge de longueur raisonnable, progressif et sans trop de difficulté. Les résultats restent décevants car beaucoup de candidats ne l'ont pas traité en entier.
Faut-il des connaissances hors programme pour le sujet Centrale physique 1 PC 2020 ?
Non. Le jury précise qu'aucune connaissance hors programme n'est utile et que le modèle du dipôle électrostatique employé est celui du programme de PCSI.
Pas de description pour le moment
