Centrale Physique Chimie 1 MP 2019Sujet, corrigé et rapport du jury
- Mouvement dans un champ de force centrale
- Structure électronique et classification périodique
- Équation de Schrödinger et états stationnaires
- Interférences à ondes multiples
- Diffraction
- Circuits électriques couplés par mutuelle inductance
Téléchargements
Présentation du sujet
Difficulté moyenneVie et mort d'un photon : atomes de Rydberg circulaires, cavité micro-ondes et couplage atome-photonAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneLe sujet étudie une expérience non destructive d'électrodynamique quantique en cavité, qui permet de détecter la présence d'un photon grâce à son interaction avec un atome de Rubidium excité dans un état de Rydberg. Trois parties indépendantes abordent successivement les atomes de Rydberg circulaires (chimie, mécanique classique et quantique), la cavité micro-ondes qui piège le photon (optique ondulatoire, diffraction), puis le couplage entre l'atome et la cavité modélisé par des circuits électriques couplés.
- 1I. Étude des atomes de Rydberg circulairesStructure électronique du rubidium, mouvement de l'électron excité en mécanique classique puis quantique, et détection expérimentale par ionisation.
- 2II. Étude de la cavité micro-ondesInterférences à ondes multiples entre les miroirs de la cavité, durée de vie du photon piégé, puis effet de la diffraction sur des miroirs sphériques.
- 3III. Couplage entre un atome de Rydberg et la cavitéModélisation électrocinétique du couplage par deux circuits LC couplés, pour expliquer le déphasage utilisé pour détecter le photon.
Difficulté moyenne. Le jury décrit un sujet bien calibré et progressif, abordé sans survol par la plupart des candidats, mais la partie II a été globalement mal traitée (médiane à 20 % des points) et certaines questions n'ont été réussies que par 17 % à 42 % des candidats.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 9,29 / 20 · écart-type 3,56 · 4 551 présents · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 9,29/ 20
- Écart-type
- 3,56
- Présents
- 4 551
- Durée
- 4 h
- 1er quartile
- 6,8
- Médiane
- 8,9
- 3e quartile
- 11,4
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : document officiel du concours. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLecture trop superficielle de l'énoncé · Planéité du mouvement affirmée sans justification · Valeurs permises du nombre quantique ℓ mal connuesAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe sujet, de longueur raisonnable et bien calibré, a permis à une bonne partie des candidats de traiter l'ensemble des parties sans survol. Les questions proches du cours sont très souvent bien réussies, tandis que les questions plus techniques ou plus fines ont permis de bien différencier les candidats. La partie II sur la cavité micro-ondes a en revanche été globalement mal traitée, et les deux questions non guidées ont été délaissées par plus de 80 % des candidats malgré 18 % du barème en jeu.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Lecture trop superficielle de l'énoncéQ3
Une bonne partie des réponses erronées à la question 3 peut être attribuée à une lecture trop rapide de l'énoncé, alors que seule une minorité de candidats a répondu correctement.
« Seuls 17 % des candidats ont répondu correctement à cette question »
- 2Planéité du mouvement affirmée sans justificationQ6
La constance du moment cinétique est bien démontrée à la question 6, mais la planéité du mouvement qui en découle est rarement justifiée.
« la planéité du mouvement qui en découle est souvent affirmée sans aucun élément de justification »
- 3Valeurs permises du nombre quantique ℓ mal connuesQ11
L'intervalle des valeurs permises pour le nombre quantique secondaire est étonnamment mal maîtrisé à la question 11.
« seuls 42 % des réponses apportées sont correctes »
- 4Confusion entre champ, potentiel et force électrostatiqueQ21
Ces confusions, fréquentes dans la sous-partie I.D, entraînent de nombreuses erreurs sur l'unité du champ électrique recherché à la question 21.
« Que de confusions entre les notions de champ électrique, de potentiel électrique ou encore de force électrostatique »
- 5Questions non guidées largement délaissées
Malgré 18 % du barème, ces deux questions ont été abandonnées d'emblée par la grande majorité des candidats, alors que ceux qui ont proposé des éléments de réponse ont souvent été récompensés.
« ont été délaissées d'emblée par plus de 80 % des candidats »
- 6Partie sur la cavité micro-ondes globalement mal traitéePartie II
Cette partie, qui représente le quart du barème, a donné des résultats faibles pour la majorité des candidats.
« la médiane des scores obtenus se situe à 20 % du nombre de points récupérables »
Ce qui a été bien réussi
- Les meilleurs candidats ont bien compris l'ensemble des enjeux du problème et remis des copies très plaisantes à lire.
- La présentation des copies est globalement satisfaisante, et le jury apprécie les efforts réalisés par rapport aux sessions précédentes.
- L'expression de l'énergie potentielle effective (question 7) est correcte dans plus de 70 % des copies.
- Les candidats qui ont abordé la question 25 l'ont souvent bien, voire très bien, traitée.
- Le lien entre largeur spectrale et durée typique de l'onde (question 33) est bien connu.
Conseils du jury
- Lire attentivement l'énoncé et prendre connaissance dès le début du formulaire proposé en fin de sujet.
- Maîtriser parfaitement le cours, en particulier les dimensions des grandeurs physiques et les ordres de grandeur classiques.
- Ne pas se précipiter sur les questions proches du cours, au risque d'oublier des éléments clés des démonstrations.
- Argumenter systématiquement les réponses aux questions qualitatives.
- Commenter les valeurs numériques obtenues et faire preuve de sens critique face à un résultat aberrant.
- Prendre le temps d'aborder les questions non guidées et consigner ses pistes de réflexion même incomplètes, le barème valorisant la démarche.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
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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
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Calculatrice autorisée
Vie et mort d'un photon
L'équipe de Serge Haroche de l'École Normale Supérieure de Paris a en particulier utilisé ses connaissances en électrodynamique quantique en cavité (CQED, cavity quantum electrodynamics) pour mesurer sans le détruire l'état d'un seul photon piégé. Pour la première fois, l'apparition et la disparition du même photon ont pu être observées en direct.

Pour sonder la présence du photon, on utilise un atome de Rubidium sortant du four
L'équipe de Serge Haroche a par la suite généralisé la mesure non destructive à un nombre de photons supérieur à un et a utilisé cette technique pour réaliser une expérience de chat de Schrödinger, ce qui a entre autres valu à Serge Haroche l'obtention du prix Nobel de physique en 2012. Dans le cadre de ce sujet, nous ne nous intéresserons toutefois qu'à certains aspects de l'expérience décrite sur la figure 1.
La partie I étudie quelques propriétés des atomes de Rubidium excités dans l'état de Rydberg (on parle alors d'atomes de Rydberg) ainsi que leur détection. La partie II s'intéresse aux propriétés de la cavité permettant de piéger un photon pendant une durée suffisante. La partie III étudie le couplage entre un atome de Rydberg et un photon de la cavité. Les trois parties sont indépendantes, même si le contexte reste celui de l'expérience de la figure 1.
Des données numériques, un formulaire et une annexe sont présents en fin de sujet.
I Étude des atomes de Rydberg circulaires
I.A - Préliminaires
Considérons un atome polyélectronique contenant
Q 2. Justifier le signe de
Q 3. Interpréter physiquement les valeurs limites de la fonction
Q 4. On cherche un ordre de grandeur de la taille typique
I.B - Atomes de Rydberg
I.B.1) Étude classique
Q 6. Démontrer que le moment cinétique
Q 7. Que peut-on dire de l'énergie mécanique
Q 8. Justifier que, pour une trajectoire circulaire,
I.B.2) Étude quantique
On cherche
Q 10. Justifier sans calcul le signe de
On met
Q 11. Rappeler les valeurs permises pour le nombre quantique
Q 12. En utilisant notamment la question 7 et en procédant par identification, justifier qu'en physique quantique les valeurs possibles de
Q 13. Que vaut alors le rayon
Q 14. On cherche à adimensionner l'équation (I.1). Montrer que cette équation peut se mettre sous la forme
I.C - Atomes de Rydberg circulaires
Q 15. Exprimer la probabilité
Q 16. Montrer que la densité de probabilité
Q 17. Faire l'application numérique pour
L'expression de la fonction d'onde (non demandée) permettrait en outre de montrer que la probabilité de présence est maximale dans la direction
Q 18. Pourquoi peut-on dire que le comportement de l'électron excité de l'atome de Rydberg circulaire est «classique»?
Q 19. Donner, à partir de la forme de la fonction d'onde (I.3), l'expression de
Q 20. Calculer la fréquence
I.D - Détection des atomes de Rydberg circulaires
Q 21. Considérons tout d'abord un atome d'hydrogène dans son état fondamental. L'électron est à une distance moyenne du noyau de l'ordre de
Q 22. On assimile l'état de Rydberg circulaire
Q 24. Estimer la vitesse des atomes de Rydberg dans la zone d'ionisation à l'aide du protocole 1.
Q 25. Dans le protocole 2 , la variation de
Q 26. Quel problème pourrait-on rencontrer si l'on choisissait une variation de
Q 27. Quelle valeur faut-il prendre pour
II Étude de la cavité micro-ondes
II.A - Miroirs plans

Q 28. On se place en un point d'abscisse
Q 29. Exprimer
Q 30. Simplifier alors l'expression de la somme cohérente des amplitudes complexes des ondes se propageant dans le sens des
On admet que l'intensité maximale
.jpg)
Q 32. On s'intéresse à la largeur à mi-hauteur
Q 33. Associer à cette largeur de fréquence une durée typique
Q 34. Déterminer la durée de vie moyenne du photon dans la cavité en fonction de
Q 35. Que doit valoir
Q 36. On recouvre en pratique les miroirs d'un supraconducteur de résistance électrique nulle. Pourquoi?
II.B - Miroirs sphériques
.jpg)

Pour une longueur d'onde
Q 38. Calculer
Q 39. Au niveau de l'axe
Q 40. En faisant l'analogie avec la corde de Melde, estimer l'ordre de grandeur de la taille d'un fuseau. Faire l'application numérique et commenter sachant que le jet atomique traverse la cavité en son centre et a un diamètre de
III Couplage entre un atome de Rydberg et la cavité
Le traitement de ces interactions est quantique, mais il est possible de faire des analogies avec des systèmes classiques usuels.
III.A - Représentation électrocinétique du couplage atome-photon

Q 42. Les deux circuits sont considérés sans résistance. Quels phénomènes physiques sont ainsi négligés au niveau de l'atome et au niveau de la cavité ?
On pose
On cherche la possibilité pour que l'ensemble du circuit oscille à la même pulsation
Q 44. Déterminer l'équation vérifiée par
On admet que
III.B - Couplage atome-photon de la cavité

En présence de couplage, l'état {atome
Q 45. Reproduire la figure 7 sur votre copie et dessiner en pointillés la position des quatre états considérés en présence de couplage.
Q 46. En l'absence de couplage entre la cavité et l'atome, la différence d'énergie entre les niveaux
Q 47. Déterminer de même l'expression de
.jpg)
Données et formulaire
Charge élémentaire
Permittivité diélectrique du vide
Constante de Planck

Abstract
Annexe La plupart des documents et les textes entre guillemets de cette annexe sont issus de la thèse de doctorat de l'université Paris VI d'Alexia Auffèves, soutenue le 29 juin 2004 « Oscillation de Rabi à la frontière classiquequantique et génération de chats de Schrödinger ». Certaines figures et données expérimentales ont été adaptées pour les besoins de l'épreuve.
Le phénomène d'ionisation
Prenons une assemblée de

Présentation du détecteur
Un des deux détecteurs utilisés dans l'expérience est présenté en figure 11. Les atomes de Rydberg pénètrent dans la zone d'ionisation, entre les électrodes parallélépipédiques
La zone d'ionisation (figure 11) pourra être assimilée à un condensateur plan (l'effet du trou dans l'électrode
Tout électron arraché à un atome se trouvant devant le diaphragme parvient au multiplicateur d'électrons.
Réglage du détecteur
Protocole 1
.jpg)

Protocole 2
La rampe est choisie de manière à ce que l'ionisation soit sélective : chaque courbe en cloche correspond à un état de Rydberg (
On ajuste les deux signaux 1 et 2 par une fonction gaussienne de la forme

Principe de la détection
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte l'épreuve de physique-chimie 1 Centrale MP 2019 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte l'épreuve de physique-chimie 1 Centrale MP 2019 ?
Le sujet porte sur le mouvement dans un champ de force centrale, la structure électronique, l'équation de Schrödinger, les interférences à ondes multiples dans une cavité, la diffraction, et les circuits électriques couplés par mutuelle inductance.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées sur ce sujet de physique-chimie 1 Centrale MP 2019 ?
Le jury signale une lecture trop rapide de l'énoncé sur certaines questions, des affirmations non justifiées (comme la planéité du mouvement), des confusions entre champ, potentiel et force électrostatique, et un net abandon des questions non guidées.
Ce sujet de physique-chimie 1 Centrale MP 2019 est-il difficile ?
Le jury le décrit comme bien calibré et progressif, mais la partie sur la cavité micro-ondes a été globalement mal traitée, avec une médiane à seulement 20 % des points sur cette partie.
Le sujet de physique-chimie 1 Centrale MP 2019 comporte-t-il de la chimie ?
Oui, la première question du sujet porte sur la structure électronique du rubidium, mais le reste de l'épreuve est essentiellement consacré à la physique.
Pas de description pour le moment
