La physique quantique - À la rencontre du quantum
La physique quantique est l'étude de la matière et du rayonnement au niveau atomique, où les choses se déroulent de façon très différente que dans "notre" monde. Les particules et les ondes illustrent bien en un seul endroit à un instant donné. Les ondes, comme les ondes sonores, se propagent dans l'espace. Au niveau atomique, cette différence n'existe plus. Les électrons peuvent se comporte comme des ondes. De la même façon, certains comportement de lumière - qu'on croyait être une onde - ne peuvent être explicités que si celle-ci se présente sous forme de particules, les photons. Seule la mécanique quantique est capable de rendre compte de cette dualité onde-particule. Parmi les autres phénomènes quantiques, citons l'effet tunnel, le principe d'incertitude et le " spin " d'une particule subatomique, que nous allons explorer.
Lisez ces articles: dualité onde-particule
Physique quantique - Le microscope à effet tunnel.
La physique classique
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La physique classique
Vers la fin du 19ème siècle, les physiciens pensaient avoir pratiquement compris le fonctionnement de l'Univers.Trois cents ans plus tôt; Isaac Newton avait établi les lois qui régissent le monde " physique " en 1864, James Clerk Maxwell découvert leur équivalent qui explicitait le comportement de la lumière et d'autre phénomènes électromagnétiques. Ainsi, en apparence, la représentation de la matière et de la lumière semblait aboutie. Et pourtant! En une génération, la découverte de phénomènes opérant en dehors du cadre des lois de Newton et de Maxwell mit le monde de la physique sens dessus dessous. La " révolution quantique " que ces trois initièrent est le seul véritable événement révolutionnaire de toute l'histoire de la science. Pour comprendre pourquoi cela fut un tel bouleversement, nous allons voir précisément que cette révolution renversa la vision " classique "de la physique selon Newton et Maxwell.
La lumière en tant qu'onde.
Il y a deux cents ans, Young démontra que la lumière se comporte comme une onde. Une lumière monochromatique ( une seule couleur) traverse un premier écran par une fente, puis une deuxième écran écran par deux fentes parallèles, avant de former, sur un troisième écran, des bandes alternativement claires et sombres.
La révolution quantique
L'appellation " rayonnement du corps noir " illustre l'esprit parfois contradictoire des physiciens. En physique classique, un corps noir est un objet qui absorbe tout le rayonnement électromagnétique qu'il reçoit. Lorsqu'il devient chaud, il émise de l'énergie (d'où l'expression " rayonnement du corps noir") mais n'est plus noir! L'ancienne appellation " cavité de radiation ", est nettement plus parlante.
Le rayonnement du corps noir.
Imaginez une sphère creuse percée d'un trou minuscule. Tout rayonnement qui arrive sur l'ouverture est absorbé par la cavité qui agit comme un corps noir ( elle n'émet pas la lumière et paraît noir) . Maintenant, chauffons la sphère jusqu'à ce qu'elle rayonne, d'abord rouge, puis blanche, puis bleue. Le rayonnement qui sorte de la sphère est un rayonnement de corps noir.
Malgré la confusion que cela engendre, on applique aussi les termes " corps noir " à ces radiation de diverses couleurs. Cet exemple illustre l'une de caractéristiques les plus fondamentales du rayonnement du corps noir: sa couleur dépend de se température. Dans la mesure où la couleur est liée à la longueur d'inde, cela signifie que l'intensité du rayonnement émis à chaque longueur d'onde dépend de la température de l'objet. Cela se vérifie ou quotidien. Nous savons tous qu'un radiateur rayonne dans l'infrarouge sans rougir et qu'un morceau de fre rouge est moins chaud qu'un morceau de fer chauffé à blanc. Beaucoup d'objet se rapprochent de très près du corps noir, y compris le Soleil : en l'assimilant à un tel corps, sa seule couleur ( jaune - orange) permet de mesurer la température à sa surface ( environ 600°K).
Dés les années 1890, les expériences avait parfaitement démonté la relation existant entre le rayonnement d'un corps noir et sa température. Le spectre électromagnétique du corps noir révèle d'un pic, où l'intensité du rayonnement est maximale. À température fixée, ce pic reste centé sur la même longueur d'onde. Mais, à mesure que le corps noir devient plus chaud, il se déplace vers les longueurs d'onde courtes (depuis l'infrarouge vers le bleu, ect). De chaque côté du pic, le rayonnement est très visible.
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| Courbes du corps noir : la longueur d'onde du pic d'intensité de rayonnement d'un corps chaud est liée à sa température. Ces 'courbes de corps noir' présentent toutes un pic dans l'infrarouge et un faible rayonnement dans le spectre visible |
Voilà qui posait un gros problème que la physique classique était bien en peine de résoudre. Si on traite, mathématiquement parlant, les ondes électromagnétiques de la même façon que les ondes sur l'océan, l'intensité du rayonnement émis devrait être proportionnelle à la fréquence: plus celle-ci est grande (donc plus la longueur d'onde est courte), plus le rayonnement devrait être important, quelle que soit la température. La majeure partie de l'énergie émise devrait donc se trouver dans l'ultraviolet, et la courbe ne devrait donc présenter aucun pic.
Et pourtant, pic il y a! Cette " catastrophe ultraviolet " somma le début de la fin de la physique classique et la fit descendre de son piédestal de représentation complète du monde physique.
Et pourtant, pic il y a! Cette " catastrophe ultraviolet " somma le début de la fin de la physique classique et la fit descendre de son piédestal de représentation complète du monde physique.
La constante de Planck
En 1900, confronté à ce phénomène inexplicable, le physicien Allemand Max Planck se résigna à résoudre le problème du rayonnement du corps noir en faisant l'hypothèse que, plutôt qu'une onde lisse et continue, la lumière est constituée de petits " paquets " qu'il baptisa " quanta ". Il assigna à chaque quantum une énergie E reliée à sa fréquence f. Il posa que E=hf et son interprétation rendit fort bien compte de la réalité. C'est ainsi que h est devenue une nouvelle constante mathématique de la nature, baptisée constante de Planck.
Dans tout objet, l'énergie est distribuée entre les atomes. Quelques uns en ont très peu, d'autres en ont beaucoup, et la plupart ont une énergie " moyenne " varie avec la température.
Chaque atome peut émettre un rayonnement électromagnétique sous forme de quanta. Dans les hautes fréquences ( courtes longueurs d'ondes), émettre un seul quantum requiert beaucoup d'énergie, et seuls quelques atomes en sont capables. Dans les basses fréquences ( grandes longueurs d'onde), émettre des quanta est plus aisé, car cela demande moins d'énergie. Ces quanta contribuent peu au spectre. Dans les valeurs moyennes de l'énergie, en revanche, un grand nombre de quanta qui s'accumulent pour donner le pic de la courbe du corps noir. Il se trouve que les expériences sont parfaitement vérifiées pour une valeur spécifique de h.
Planck n'envisageait pas ces quanta comme des particules à part entière. Selon lui, c'était un mécanisme interne aux atomes qui les autorisait à émettre ces " paquets " de lumière, laquelle devant néanmoins être une onde. L'exemple du distributeur automatique de billets en est une bonne illustration: l'appareil ne vous donne que des billets de 10 ou 20 euros, ce qui n'empêche pas les montants intermédiaires d'exister.
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En 1900, confronté à ce phénomène inexplicable, le physicien Allemand Max Planck se résigna à résoudre le problème du rayonnement du corps noir en faisant l'hypothèse que, plutôt qu'une onde lisse et continue, la lumière est constituée de petits " paquets " qu'il baptisa " quanta ". Il assigna à chaque quantum une énergie E reliée à sa fréquence f. Il posa que E=hf et son interprétation rendit fort bien compte de la réalité. C'est ainsi que h est devenue une nouvelle constante mathématique de la nature, baptisée constante de Planck.
Dans tout objet, l'énergie est distribuée entre les atomes. Quelques uns en ont très peu, d'autres en ont beaucoup, et la plupart ont une énergie " moyenne " varie avec la température.
Chaque atome peut émettre un rayonnement électromagnétique sous forme de quanta. Dans les hautes fréquences ( courtes longueurs d'ondes), émettre un seul quantum requiert beaucoup d'énergie, et seuls quelques atomes en sont capables. Dans les basses fréquences ( grandes longueurs d'onde), émettre des quanta est plus aisé, car cela demande moins d'énergie. Ces quanta contribuent peu au spectre. Dans les valeurs moyennes de l'énergie, en revanche, un grand nombre de quanta qui s'accumulent pour donner le pic de la courbe du corps noir. Il se trouve que les expériences sont parfaitement vérifiées pour une valeur spécifique de h.
Planck n'envisageait pas ces quanta comme des particules à part entière. Selon lui, c'était un mécanisme interne aux atomes qui les autorisait à émettre ces " paquets " de lumière, laquelle devant néanmoins être une onde. L'exemple du distributeur automatique de billets en est une bonne illustration: l'appareil ne vous donne que des billets de 10 ou 20 euros, ce qui n'empêche pas les montants intermédiaires d'exister.
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Le génie d'Einstein
La plupart des collègues de Planck pensaient que sa découverte, tout utile qu'elle puisse être, n'était guère qu'une ruse mathématique, dont on pourrait se dispenser sitôt qu'on aurait mieux cerné le fonctionnement des atomes, ainsi la seule personne qui commença à exploiter cette nouvelle interprétation en tant que telle fut Albert Einstein, scientifique alors inconnu qui débutait dans la recherche. En 1905, il démontra que si la lumière se propage effectivement sous forme d'un flux de particules, on pouvait alors expliquer un autre phénomène qui résistait lui aussi à toute tentative d'explication par la physique classique: l'effet photoélectrique. Ce phénomène illustre le fait qu'on peut créer un courant dans un métal en l'illuminant suffisamment. Les effets qu'observa Einstein ne trouvaient une explication que si on considérait que les électrons étaient frappés par des particules, non par des ondes. Reste que personne, à l'époque, n'accepta cette conception des particules de lumière, auxquelles le nom de " photons " ne fut donné qu'en 1926, après que bien d'autres démonstrations ont accrédité l'hypothèse d'Einstein.
La plupart des collègues de Planck pensaient que sa découverte, tout utile qu'elle puisse être, n'était guère qu'une ruse mathématique, dont on pourrait se dispenser sitôt qu'on aurait mieux cerné le fonctionnement des atomes, ainsi la seule personne qui commença à exploiter cette nouvelle interprétation en tant que telle fut Albert Einstein, scientifique alors inconnu qui débutait dans la recherche. En 1905, il démontra que si la lumière se propage effectivement sous forme d'un flux de particules, on pouvait alors expliquer un autre phénomène qui résistait lui aussi à toute tentative d'explication par la physique classique: l'effet photoélectrique. Ce phénomène illustre le fait qu'on peut créer un courant dans un métal en l'illuminant suffisamment. Les effets qu'observa Einstein ne trouvaient une explication que si on considérait que les électrons étaient frappés par des particules, non par des ondes. Reste que personne, à l'époque, n'accepta cette conception des particules de lumière, auxquelles le nom de " photons " ne fut donné qu'en 1926, après que bien d'autres démonstrations ont accrédité l'hypothèse d'Einstein.
Le modèle atomique de Bohr
C'est grâce au Danois Niels Bohr que fut prise au sérieux l'idée des quanta. En 1911, le Néo-Zélandais Ernest Rutherford découvrit qu'un atome est en fait constitué d'un noyau chargé positivement entouré d'un nuage d'électron de charge négative. Les électrons sont ainsi " en orbite " autour du noyau, tout comme les planètes le sont autour du Soleil. À une grosse différence près: selon la théorie classique, une particule chargée et orbitant de la sorte devrait continuellement émettre un rayonnement (donc une énergie) électromagnétique et, perdant ainsi de l'énergie, retomber sur le noyau. Or, cela ne se produit pas. Qu'est-ce donc qui assure la cohérence des atomes?
Bohr avança l'hypothèse que les électrons ne pouvaient occuper que certaines orbites autour du noyau, chacune correspondant à une valeur précise de l'énergie, multiple de la valeur fondamentale correspondant à un quantum. Aucune orbite intermédiaire n'est possible, car une fraction de quantum n'existe pas ( tout comme il n'existe pas de pièce de moins de 1 cent). De la sorte, les électrons ne rayonnent pas continûment et ne retombe donc pas sur le noyau. La seule chose qu'ils peuvent faire est de sauter d'une orbite à une autre, soit en émettant un quantum d'énergie, soit en l'absorbant.
Bohr avança l'hypothèse que les électrons ne pouvaient occuper que certaines orbites autour du noyau, chacune correspondant à une valeur précise de l'énergie, multiple de la valeur fondamentale correspondant à un quantum. Aucune orbite intermédiaire n'est possible, car une fraction de quantum n'existe pas ( tout comme il n'existe pas de pièce de moins de 1 cent). De la sorte, les électrons ne rayonnent pas continûment et ne retombe donc pas sur le noyau. La seule chose qu'ils peuvent faire est de sauter d'une orbite à une autre, soit en émettant un quantum d'énergie, soit en l'absorbant.
Cette idée était d'autant plus élégante qu'on savait déjà à l'époque que chaque atome produit sur le spectre électromagnétique des raies qui le caractérisent, comme un code-barre.
Ces raies correspondent à une longueur d'onde, donc une énergie, précise.
Les raies brillantes correspondant à de l'énergie émise par l'atome, tandis que les raies sombres sont de l'énergie absorbée.
À la rencontre du quantum partir de leur disposition sur le spectre, Bohr calcula les énergie mises en jeu dans son modèle atomique, et obtient une correspondance remarquable avec les observations.
Enfin, dernier point du modèle de Bohr: une orbite ne peut héberger qu'un certain nombre d'électrons. Aucun électrons ne peut venir sur une orbite pleine, même si, se trouvant sur une orbite d'énergie plus élevée, il aimerait bien faire le saut vers une de plus basse énergie. Cela expliquait non seulement la stabilité des atomes, mais aussi la disposition des raies du spectre lumineux, propre à chaque atome. Avec le modèle atomique de Bohr, présenté en 1913, le quantum devenait plus qu'une simple astuce mathématiques. Malheureusement, la Première Guerre mondiale ralentit les recherches dans cette nouvelle branche de la physique, dite " physique quantique ", qui dut attendre les années vingt pour obtenir son titre de " théorie " .
À voir également:
La physique quantique
Ces raies correspondent à une longueur d'onde, donc une énergie, précise.
Les raies brillantes correspondant à de l'énergie émise par l'atome, tandis que les raies sombres sont de l'énergie absorbée.
À la rencontre du quantum partir de leur disposition sur le spectre, Bohr calcula les énergie mises en jeu dans son modèle atomique, et obtient une correspondance remarquable avec les observations.
Enfin, dernier point du modèle de Bohr: une orbite ne peut héberger qu'un certain nombre d'électrons. Aucun électrons ne peut venir sur une orbite pleine, même si, se trouvant sur une orbite d'énergie plus élevée, il aimerait bien faire le saut vers une de plus basse énergie. Cela expliquait non seulement la stabilité des atomes, mais aussi la disposition des raies du spectre lumineux, propre à chaque atome. Avec le modèle atomique de Bohr, présenté en 1913, le quantum devenait plus qu'une simple astuce mathématiques. Malheureusement, la Première Guerre mondiale ralentit les recherches dans cette nouvelle branche de la physique, dite " physique quantique ", qui dut attendre les années vingt pour obtenir son titre de " théorie " .
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La physique quantique
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