Petite histoire de la mécanique quantique
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Histoire de mécanique quantique La catastrophe ultraviolette du corps noir Histoire de mécanique quantique Formulée par le physicien autrichien Paul Ehrenfest. Résultats de plusieurs expériences faites en 1900, non concordants avec la théorie élaborée entre 1880 et 1900 pour expliquer le rayonnement émis par un corps chauffé. Ces expériences montrent que cette théorie du rayonnement fonctionne bien pour des émissions allant de l’IR au vert. Pour le bleu, le violet, et plus encore, l‘UV, => ne concordent pas du tout avec cette théorie. Par exemple, selon la théorie, un feu de cheminée serait une source mortelles de rayons . Le physicien allemand Max Planck propose (fin 1900) une idée révolutionnaire. Max Planck Un phénomène physique peut être discontinu. => Naissance de la physique quantique. Histoire de mécanique quantique L’effet photoélectrique (PE) Émission d'électrons par un matériau, généralement métallique, lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou un rayonnement électromagnétique de fréquence suffisamment élevée, qui dépend du matériau. Effet photoélectrique : on éclaire une plaque de métal et celle-ci émet des e_. Histoire de mécanique quantique Constatations expérimentales de l'émission PE - Les e_ ne sont émis que si la fréquence de la lumière est suffisamment élevée et dépasse une fréquence limite appelée fréquence seuil. - Cette fréquence seuil dépend du matériau et est directement liée à l'énergie de liaison des e_ qui peuvent être émis. - Le nombre d' e_ émis lors de l'exposition à la lumière est proportionnel à l'intensité de la source lumineuse. - L'énergie cinétique des e_ émis dépend linéairement de la fréquence de la lumière incidente. - Le phénomène d'émission photoélectrique se produit dans un délai < 10-9 s après l'éclairage, phénomène quasi instantané. Histoire de mécanique quantique Einstein (encore !) et l’effet PE Mars 1905. Albert Einstein explique l'effet photoélectrique en postulant : « Lorsqu'un rayon de lumière est diffusé à partir d'un point, l'énergie n'est pas distribuée continûment sur des espaces toujours croissants, mais consiste en un nombre fini de quanta d'énergie qui sont localisés en des points de l'espace, se déplaçant sans être divisés, et qui peuvent être absorbés ou générés seulement comme un tout. » Considéré comme la phrase la plus révolutionnaire écrite par un physicien au cours du XXème siècle. Prix Nobel 1921. Quanta d'énergie appelés « photons » en 1926. Cette idée supprimait la possibilité pour le rayonnement du corps noir d'atteindre une énergie infinie (phénomène de catastrophe ultraviolette) Albert Einstein et ? Histoire de mécanique quantique Raies de l’atome d’hydrogène Juillet 1913, Niels Bohr expliqua les raies spectrales de l'atome d'hydrogène, en utilisant la quantification : La formule de Rydberg (1888) modélisait correctement le spectre d'émission lumineuse de l'atome d'hydrogène. Niels Bohr supposa que les e_ négativement chargés tournaient autour d'un noyau positivement chargé à certaines distances quantifiées fixes et que chacune de ces « orbites sphériques » possédait une énergie associée telle que les transitions électroniques entre les orbites nécessitent des émissions ou des absorptions quantifiées d'énergie. Théories strictement phénoménologiques : pas de justification rigoureuse pour la quantification. Niels Bohr Histoire de mécanique quantique Modèle de Bohr Ce modèle est un complément du modèle planétaire d'Ernest Rutherford (1909) : noyau massif chargé positivement, autour duquel se déplace un e_ chargé négativement. Le problème posé par ce modèle est que l'électron, charge électrique accélérée, devrait selon la physique classique, rayonner de l'énergie et donc finir par s'écraser sur le noyau. Niels Bohr propose d'ajouter deux contraintes : - L‘e_ ne rayonne aucune énergie lorsqu'il se trouve sur une orbite stable (ou orbite stationnaire). Ces orbites stables sont différenciées, quantifiées. Ce sont les seules orbites sur lesquelles l'électron peut tourner. - L‘e_ ne rayonne ou n'absorbe de l'énergie que lors d'un changement d'orbite. Histoire de mécanique quantique Dualité onde-matière 1924. Le physicien français Louis de Broglie proposa sa théorie d'ondes de matière, en extrapolant le postulat d’Einstein. Les particules pouvaient montrer des caractéristiques ondulatoires, et viceversa pour la lumière. Cette théorie valait pour toute matière mais n'était pas algébriquement maniable. Elle a été confirmée en 1927 par l’epérience de Davisson et Germer (diffraction d’électrons par un cristal de nickel). Louis de Broglie Histoire de mécanique quantique Les premiers pas Construite sur l'approche de de Broglie, la mécanique quantique moderne naquit en 1925, lorsque les physiciens allemands Werner Heisenberg et Max Born développèrent la mécanique matricielle et le physicien autrichien Erwin Schrödinger inventa la mécanique ondulatoire et proposa l'équation dite de Schrödinger nonrelativiste comme approximation à la généralisation de la théorie de de Broglie. Paul Dirac démontra par la suite que les deux approches étaient équivalentes. Des outils mathématiques rigoureux seront développés plus tard Erwin Schröndinger Histoire de mécanique quantique Histoire de mécanique quantique Heisenberg et le principe d’incertitude Werner Heisenberg formula son principe d'incertitude en 1927 Pour une particule massive donnée, on ne peut pas connaître simultanément sa position et sa vitesse (vecteur) avec une précision supérieure à un certain seuil Le nom de théorème d'indétermination est parfois préféré car le principe ne porte pas sur l'ignorance « subjective » de grandeurs par l'expérimentateur, mais bien sur une impossibilité fondamentale de les déterminer ! Werner Heisenberg
