préhistoire de la physique quantique

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Chap 17:COURS Ouverture sur le monde quantique Activités
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INTRODUCTION AU MONDE QUANTIQUE
OBJECTIFS :
 Relations de Planck-Einstein et de Louis de Broglie.
 Dualité onde-particule pour la lumière et la matière.
 Interprétation probabiliste associée à la fonction d’onde : approche qualitative.
 Quantification de l’énergie d’une particule libre confinée 1D
INTRODUCTION :
PRÉHISTOIRE DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE :
À la fin du XIXème siècle, les physiciens sont presque convaincus que les lois
classiques leur donnent une connaissance complète du monde physique.
Rappelons que l
la fin du XIXème s sont :
- LA MÉCANIQUE NEWTONIENNE ou mécanique classique qui repose
sur les trois lois de Newton (XVIIème s) et la théorie de la gravitation
universelle 
trajectoires des fusées et des satellites). La théorie de Newton a
imposé pendant longtemps sa vision corpusculaire de la lumière à la
communauté scientifique. Cependant à la fin du XIXème siècle les
expériences (diffraction et interférences) de Huygens, Young et
Fresnel ont permis de donner une nouvelle vision à la lumière qui est
fondée sur une théorie ondulatoire.
-  : est 
magnétisme et 
électromagnétisme reposent sur les quatre équations fondamentales
énoncées par James Maxwell en 1864. Ces équations apportent un
cadre mathématique solide à la théorie ondulatoire. Elles permettent
également de dé
lumière est donc une onde électromagnétique.
- LA THERMODYNAMIQUE : 
développée au cours du
XIXème s Carnot, Joule,
Kelvin et Clausius. Cette branche de la physique a permis notamment
est aussi à la base de nombreux systèmes physiques et géophysiques.

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ème siècle que deux problèmes ne peuvent
pas être expliqués par la physique classique:
  en fonction de sa direction
(expérience de Morley- Michelson (1887))
 Le problème du corps du noir : n problème posé aux
de savoir quelle relation il existe
entre la  (comme le
soleil) et sa température. Deux physiciens (Rayleigh et Jeans) du
début du XXème s (1900) ont établi une loi ou formule basée sur la
physique classique. Cette loi portera leur nom (loi de Rayleigh
/Jeans) qui prévoie que lémis par un
corps chauffé est proportionnelle à sa température et inversement
2 . (avec 
Cette formule est vérifiée expérimentalement que pour les grandes
fut appelée « Catastrophe
ultraviolette ».
Questions :
1. A partir de vos connaissances, rappeler ce est un corps noir ?
2. Donnez une écriture mathématique du texte en italique dans
3. Expliquer à partir du graphe et du texte, pourquoi le terme
catastrophe ultraviolette traduit une erreur ?
Image extraite de la revue pour la Science
Texte extrait de la revue pour la Science)
I
n
t
e
n
s
i
t
é
Déplacement
de Wien.

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DOC.1 : HYPOTHÈSE FONDAMENTALE DE PLANCK (XXème S) : NOTION DE
QUANTA.
CLASSIQUE :
-Les théories de la physique 
-Selon la loi de Rayleigh-
-En 1900 Max Planck chercha une formulation analytique de la courbe
expérimentale du corps noir puis seulement une explication théorique
satisfaisante.
- Alors pour justifier théoriquement cette courbe expérimentale,
matière, en équilibre avec le rayonnement, se comporte comme un
ensemble de « N 
une grandeur continue mais quantifiée.
--à-
baptisée « quantum ou quanta ».
- Loi de Planck :
Cette énergie est un multiple du   » qui est
proportionnel à la fréquence «  » et le coefficient de proportionnalité
est la constante de Planck « h » avec h ≈ 6,626.10-34 J.s.
- 
physique, la physique quantique.
Soit « q  m 
Ep(q).
faibles déplacements x =q-q éq  qéq » et
supérieur à 2.
Dans cette approximation Ep(q)- Ep(qéq)= 1/2K (q-q éq )2=1/2Kx2 est donc
une parabole avec K = (d2Ep/dx2)>0.
 Em 
Em = 1/2 Kx2m avec xm 
des oscillations. La particule est dans un état lié ou confinée.

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QUESTIONS :
1. Que signifie le terme « quantifié » pour 
2. 
dans le vide.
3. 
Ep(x) à so Ep (x).
4. 
classique est continue ? Est- Em » de la particule
 puits de potentiel que
constitue Ep(x) 
5. st-
valeur dans un puits de potentielle.
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE
EINSTEIN ET LE QUANTUM DE LUMIÈRE : « UNE
INTERPRÉTATION NOUVELLE : NOTION DE PHOTON ».
- 
a) DOC.1 : MISE EN ÉVIDENCE EXPÉRIMENTALE (EXPÉRIENCE DE
« HALLWACHS » RÉALISÉE PAR LE PROFESSEUR)
Le physicien Allemand Wilhem Hallwachs montra en 1888 que les métaux
soumis à un rayonnement ultraviolet.
 On charge au préalable négativement un 
 On place ensuite une plaque de zinc 
1) On éclaire la lame avec une lampe à incandescence à filament qui
émet de la lumière blanche.
2) On éclaire avec une lampe à UV (émettant des radiations UV à la
[400 nm ; 250nm].

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b)Doc.2 Schéma du dispositif expérimental (image extraite de quantique fondements
et application : De boeck)
c) Doc.3 : - ? (extrait de « pour la science et
fondements et application : De boeck)
plaque métal.
Découvert en 1839 par Henry Becquerel, puis présenté en 1887 par le physicien
particulier Hertz ne comprend pas pour quelle raison cet
ne semble se produire que dans le cas où la lumière incidente est ultraviolette.
.
 énergie cinétique Ec des électrons éjectés du métal
dépend de la fréquence «  » selon une loi affine, alors que la physique
classique 
 seuil » en dessous
-dessus «  
a)ÉLECTROSCOPE CHARGÉ b) ÉLECTROSCOPE ÉCLAIRÉ PAR UV
1) -
2)
sur la lame en précisant le signe des ces charges. Puis décrire vos observations et
 Proposez une explication.
3) Représenter sur le schéma (b) 
les UV . Décrivez vos observations et proposez une explication.
4) Que se passe-t- une lame de verre entre la lampe et la plaque de
zinc. Que peut-on conclure sur la propriété du verre vis-à-
5) Que se passe-t-éclaire la lame avec une lampe spectrale au mercure
(Hg) ? Que peut-on conclure sur les radiations émises par la lampe (Hg) ?