Module Phys204

2008-2009
Les débuts de la Physique Quantique
Mathias Albert, Azzedine Bennani et Claudie Mory
Module Phys204
Licence de Physique
Parcours PC et PMI

Table des matières
Introduction 5
1 Les difficultés de la Physique Classique. Premiers phénomènes quantiques observés 7
1.1 Introductionethistorique .................................. 7
1.1.1 Situationduproblème ................................ 7
1.1.2 Les Hypothèses généralement admises à la fin du 19esiècle............ 8
1.1.3 Modifications de ces hypothèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Analyse des premières expériences pathologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 Interaction rayonnement-matière : le rayonnement du corps noir . . . . . . . . . 9
1.2.2 Interaction rayonnement-matière : l’effet photo-électrique . . . . . . . . . . . . 12
1.2.3 Spectre des atomes et les postulats de Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.4 L’expérience de Franck et Hertz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.5 L’effetCompton ................................... 23
2 La dualité Onde-Corpuscule 27
2.1 Dualité de la lumière : l’expérience des fentes d’Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.1 Rappels sur l’interprétation ondulatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.2 Interprétation corpusculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.3 Unification quantique des deux aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2 Dualitédelamatière..................................... 30
2.2.1 Onde associée de de Broglie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.2 L’expérience de Davisson et Germer 1927 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 Le principe d’indétermination de Heisenberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.1 Notion de paquet d’ondes et inégalités spatiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2 Inégalité temps-énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Perspectives et applications 37
3.1 L’équationdeSchrödinger.................................. 37
3.2 La physique classique retrouvée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 Quelquesapplications .................................... 40
A Quelques repères historiques 45
B Eléments de mécanique relativiste 47
C Loi de Planck pour le rayonnement du corps noir 48
C.1 Nombre de modes de fréquence νdanslacavité...................... 48
C.2 Energiemoyenned’unmode................................. 49
Références bibliographiques 50
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Introduction
La physique quantique reste, malgré son incontestable succès et son omniprésence (jusqu’à notre
expérience quotidienne), un défi pédagogique insoluble. Ceux qui la connaissent savent pourquoi, tant
les concepts qu’elle introduit sont éloignés de notre intuition classique. Et pourtant, avec sa cousine,
la théorie de la relativité, elles constituent les théories physiques, non seulement les mieux vérifées à
l’heure actuelle, mais aussi les plus riches en applications.
Ainsi, même si une grande majorité des physiciens connaissent très bien cette théorie, l’utilisent
chaque jour et écrivent des tas de livres essayant de l’expliquer, elle introduit une limite fondamentale
(et d’ailleurs bien d’autres) qui nous bride sur le plan pédagogique. Frédéric Mila, professeur a l’école
polytechnique fédérale de Lausanne, l’exprime d’ailleurs très bien à travers l’analogie suivante1: "En-
seigner la physique quantique est un peu comme éduquer ses enfants. Il n’y a pas de méthode miracle ;
on ne peut que limiter les dégâts".
Ce document ne contient donc pas quelque chose d’exceptionnel par rapport à d’autres ouvrages
de qualité, mais présente simplement une approche historique des débuts de la physique quantique, à
travers les expériences révolutionnaires de la fin du 19eet du début du 20esiècle. Enfin, il contient
une présentation succinte de quelques applications technologiques et une introduction à l’équation de
Schrödinger.
La majeure partie de ce document est tiré des notes de cours de Azzedine Bennani, professeur
à l’université Paris sud, qu’il donnait en deuxième année de DEUG, du livre "Initiation à la méca-
nique quantique" de Elie Belorizky [1]et de la “Bible” Francaise de la physique quantique, le "Cohen-
Tannoudji, Diu et Laloe" [3].
L’essentiel étant dit, il ne reste plus qu’à vous souhaiter une agréable lecture.
1Il ne s’agit probablement pas de ses mots exacts mais c’est en tout cas l’esprit de ses paroles.
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