théorie quantique - Groupe de Physique Statistique

THÉORIE QUANTIQUE
• Systèmes à l’échelle atomique et subatomique
• Propriétés physiques des corps à notre échelle
(conductivité, magnétisme, couleur, ductilité, etc…)
• Relations entre lumière et matière
Théorie des quanta 1900-1920
Première forme élaborée (non relativiste) : 1926-27
Electrodynamique quantique 1948-50
Naissance des idées quantiques
BERLIN, 14 DECEMBRE 1900
Fréquence
Energie
Constante de Planck :
6.62
10
.
LES SCIENCES PHYSIQUES
AU MILIEU DU XIXÈME SIÈCLE
Dynamique de Newton
Gravitation
Thermodynamique
Science de la chaleur et des échanges énergétiques entre les systèmes.
Moteurs, Transitions de phases (gaz-liquide-solide,…),…
Machines à vapeur – 1700 (Newcomen, Papin,…)
1er et 2ème principes (Carnot 1823, Joule 1841, Clausius 1850-54)
Electricité et Magnétisme
Optique
Causes du mouvement et de l’équilibre des systèmes matériels.
Astronomie, Constructions mécaniques, Mouvement des fluides,…
Les 3 lois du mouvement, loi de la gravitation : Newton 1687
Phénomènes électriques et magnétiques.
Franklin 1747, Coulomb 1785, pile Volta 1800, Oersted 1820,
Premiers mémoires de Maxwell 1855
Phénomènes lumineux.
Lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière
Nature de la lumière, origine des couleurs ? Newton 1704 : corpuscules matériels
Huygens 1690, Young 1802,
1802
Fresnel 1821, Foucault 1850 : nature ondulatoire de la lumière
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
Dans la nature
UNE ONDE ?
Au laboratoire : cuve à ondes
Fréquence de l’onde :
1
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
Dans la nature
UNE ONDE DIFFRACTE
SOURCES SEC0NDAIRES
Au laboratoire
Onde incidente
Onde diffractée
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
LES ONDES INTERFÈRENT ENTRE ELLES
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
THOMAS YOUNG (1802)
Largeur des fentes S1, S2 : environ 100 mm (épaisseur d’une lame de rasoir)
Distance entre les deux fentes : qqs dixièmes de mm
Distance entre le plan des fentes et l’écran d’observation : qqs dizaines de cm
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
THOMAS YOUNG (1802)
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
Dépend de la couleur de la lumière utilisée
une longueur d’onde
= une couleur lumineuse donnée = une fréquence
Spectre lumineux (N.B. pas de brun !)
7,5
10 4,3
10 NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
Spectre du rayonnement électromagnétique
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
Spectre du rayonnement électromagnétique
1801 Ritter
1800 Hershell
« rayons chimiques »
« chaleur rayonnante »
XIXème siècle
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
Mais qu’estqu’est-ce qui ondule ??
Le champ électromagnétique
Rayons lumineux
la lumière est une perturbation
électromagnétique se propageant dans l'espace
suivant les lois de l'électromagnétisme
Vision électromagnétique d’un rayon de lumière qui se propage
LES SCIENCES PHYSIQUES
VERS LA FIN DU XIXÈME SIÈCLE
Dynamique
Thermodynamique
statistique
Electromagnétisme
Phénomènes électriques,
magnétiques et optiques.
Equations de Maxwell 1864-73
Clausius 1857
Maxwell 18601860-66
Gibbs 18751875-78
Boltzmann 1877
Hypothèse atomique ?
Lavoisier, Dalton,
Prout, Avogadro,…
Tableau de Mendeleiev : 1869
Lorentz 18901890-95
Helmholtz 1875 -81
Hertz 18831883-88
Thomson 1897
La matière est très probablement
composée de grains élémentaires
(les atomes)
Il existe très probablement des
grains élémentaires de matière
possédant une charge électrique
Nouveaux rayonnements : ondes/particules ?
Expérience de Michelson et Morley ?
VERS 1900
L’ activité de recherche
PARADIGME
Découvertes
Anomalies
Spectres de raies ?
Chaleurs spécifiques ?
Rayonnement du corps noir ?
Effet Photoélectrique ?
Incorporation
Amélioration
INTERACTION LUMIÈRE – MATIÈRE ?
INTERACTION LUMIÈRE – MATIÈRE
RÉFLEXION
TRANSMISSION
DIFFUSION
ABSORPTION
EMISSION
Origine de ces comportements divers ?
COULEUR DES OBJETS
INTERACTION LUMIÈRE – MATIÈRE
Origine des spectres de raies ?
Fraunhofer 1815, Talbot 1826,…
Un élément chimique = un spectre de flamme particulier
Flammes colorées, de gauche à droite :
violet pâle (potassium), rose fuchsia (lithium),
rouge (strontium), orangé (calcium),
jaune (sodium)
Un modèle pour l’atome ?
SPECTRES DE RAIES
Rayonnement thermique des corps
Kirchhoff 1859, Stefan 1879, Wien 1893, Rayleigh et Jeans 1900,…
Émission de lumière par un corps porté à une certaine température
Filament incandescent
Braises
Dans les laminoirs
CORPS NOIR
INTERACTION LUMIÈRE – MATIÈRE
CORPS NOIR
La « couleur thermique » de l’objet
n’est pas sa couleur habituelle. Elle est la même pour tous
les objets… si on fait abstraction de leurs propriétés particulières
(Kirchhoff 1859-62)
Rayonnement purement thermique de l’objet :
rayonnement du corps noir : un corps « idéalisé »
qui absorbe tout rayonnement incident et qui le ré-émet
sous forme de rayonnement thermique : rayonnement dû
seulement à la température à laquelle est porté l’objet
Equilibre thermodynamique
Lorsque le corps noir est porté à une certaine température, comment
l’énergie (l’intensité) du rayonnement thermique de ce corps
se répartit-elle entre les différentes « couleurs » émises ?
Intensité lumineuse
Température : T1
T2
???
I (rouge)
???
I (bleu)
bleu
rouge
Couleur
(longueur d’onde)
CORPS NOIR
730°
730°C
Spectre continu
27°
27°C
Vision nocturne (infrarouge)
CORPS NOIR
2000°
2000°C
CORPS NOIR
Soleil
COMMENT DÉDUIRE LES COURBES
,
DU RAYONNEMENT DU CORPS NOIR
A L’AIDE DE LA THÉORIE ?
1896 : Wien
1899 : Planck
1896-1900 : Rubens, Kurlbaum, Pringsheim, Lummer : écart significatif
1896 : Wien
1899 : Planck
Rayleigh : juin 1900
Principes du Calcul Classique :
Equations de Maxwell :
⟹ Une particule matérielle chargée émet un rayonnement
électromagnétique lorsqu’elle est accélérée (Lorentz
Lorentz 1880 – 1900)
1900)
ESRF Grenoble
le rayonnement du corps noir prend pour
origine le mouvement vibratoire des particules
chargées (oscillateurs) qui constituent la paroi :
elles absorbent tout rayonnement incident,
quelque soit sa couleur,
et le ré-émettent (pas forcément sous la même
couleur) intégralement, de telle sorte
que, globalement, l’équilibre thermodynamique
soit réalisé.
Equations de Maxwell + Thermodynamique statistique
⟹ Calcul de l’énergie (intensité) du rayonnement dans l’enceinte
pour une « couleur » donnée, à l’équilibre thermodynamique.
! ,
∝
1
#$%&'(')* + $%*(
, -%()&.(* + '%$ .##/0(') 1
(Amplitude de l’oscillation)2
Moyenne thermodynamique
à calculer selon les lois en vigueur
Thermodynamique statistique : la répartition énergétique des oscillateurs
suit une loi statistique de Bolztmann
2 - ∝(
3
45
Nombre d’oscillateurs
Température :
2
4
énergie
Moyenne thermodynamique
à calculer selon les lois en vigueur : on trouve : , -%()&.(* + '%$ .##/0(') 1∝
! ,
∝
6
7
Catastrophe ultraultra-violette
(1900(1900-05)
Planck 19 octobre 1900
Planck décembre 1900
Nombre d’oscillateurs
Température :
2
4
2
3
4
Etc…
énergie
= formule de Planck
1990