resume de physique quantique

Magali Besnier
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RESUME DE PHYSIQUE QUANTIQUE
Séjour Aventure Scientifique du 7 au 17 juillet 2007

Sommaire
1- Spectre électromagnétique et quantification de l’énergie
2- Expérience des fentes d’Young
3- Probabilité de présence
4- Inégalités d’Heisenberg
5- Principe de superposition d’états
6- Intrication des objets quantiques
7- Le chat de Schrödinger
Annexes :
-L’expérience d’Aspect
-Le croissant quantique

1) Spectre électromagnétique et quantification
Le spectre électromagnétique est très vaste, et la lumière visible n’est en fait
qu’une toute petite partie de ce spectre : les photons peuvent avoir une énergie très
grande (rayons gamma) ou très petite (micro ondes ou ondes radios).
Une onde se caractérise par son énergie E, sa période T, sa fréquence , ou sa
longueur d’onde  (voir schémas ce dessous). Chacune de ces propriétés sont
reliées par des formules qui font intervenir des constantes connues, avec c la
vitesse de la lumière 300 000 km/sec et h la constante de Planck 6,62.10-34
Joules.sec : T= 1/ = / c
E=h.
On voit ici que plus l’énergie est grande, plus la fréquenc est élevée, et plus la
longueur d’onde est petite.
temps
T
A
Ce que l’on voit en un point fixe, au
cours du temps :
x
y
Z
Allure de l’onde dans l’espace, le temps
étant fixé :

On peut additionner des ondes, on obtient alors des interférences : suivant que leurs
maxima tombent en même temps ou pas, on obtient des interférences constructives
ou destructives, ou même l’annulation des ondes.
Spectre d’émission du soleil
Le soleil est il une source de lumière blanche ? C’est à dire, émet-il toutes les
couleurs du visibles ? La réponse est non : certaines raies ne sont pas émises ! On
voit ci dessous ce qu’on appelle les spectre d’émission du soleil, où apparaissent
des trous.
On peut obtenir de la même façon le spectre d’absorption du soleil, qui correspond
aux raies de lumière qu’on obtiendrait si on regarde ce qui sort du soleil une fois
qu’il a absorbé de la lumière blanche. Les raies principales, les plus lumineuses,
sont appelées raies de Balmer et sont utilisées dans l’observation du soleil.
+
=
Ondes en
phase
Interférence
constructive
+
=
Ondes en opposition de phase
Interférence
destructive
+
=
Opposition de phase et
même amplitude
Annulation

Raies de Balmer : principales raies d’absorption du soleil
Ces raies correspondent à des longueurs d’onde particulières bien définies.
Pourquoi ces valeurs déterminées ?
Ceci vient de l’excitation / désexcitation des électrons des atomes qui composent le
soleil : les électrons ont des niveaux d’énergie autorisés, empilés comme une
échelle aurait plusieurs barreaux accessibles ; si on donne exactement la bonne
énergie (avec un photon par exemple) à un électron pour passer d’un barreau
d’échelle à un autre, il absorbe le photon et grimpe sur le barreau autorisé. C’est
pour ça que seules quelques énergies ou longueurs d’onde de photons peuvent être
absorbées par le soleil ou n’importe quel élément ; et c’est ce qu’on appelle la
QUANTIFICATION de l’énergie, d’où le nom de physique quantique.
Une fois qu’un atome a absorbé un photon et qu’un électron est monté sur un
barreau d’échelle, il va chercher à se désexciter, et l’électron va redescendre au
niveau zéro appelé niveau d’énergie fondamental. C’est ce qui fait les couleurs et
tous les rayonnements que l’on observe dans la nature : les atomes sont sans arrêt
sollicités par des photons, et ils les ré-émettent sous forme de rayonnement qui peut
être visible ou non. Si on regarde avec des jumelles infrarouge, on verra d’autres
« couleurs » que si on regarde simplement avec les yeux.
L’analyse de la composition d’étoiles et planètes grâce au rayonnement qu’elles
émettent est la première application pratique d’un phénomène quantique.