La Physique Quantique

La Physique
Quantique
Par Vincent Rollet (Aluminium)
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Dernière mise à jour le 28/03/2013

Sommaire
2Sommaire ...........................................................................................................................................
1Partager ..............................................................................................................................................
3 La Physique Quantique ......................................................................................................................
4Partie 1 : La Remise en Cause de la Théorie Classique .....................................................................
4La Physique ! .....................................................................................................................................................................
4C'est quoi la physique ? ..............................................................................................................................................................................................
4Les Différentes Branches de la Physique ...................................................................................................................................................................
5Divisons le monde ! .....................................................................................................................................................................................................
7Les Atomes ........................................................................................................................................................................
7Le Mouvement Brownien .............................................................................................................................................................................................
8Des tentatives d'explication .........................................................................................................................................................................................
8Einstein à la rescousse ! .............................................................................................................................................................................................
9Le Noyau Atomique .....................................................................................................................................................................................................
9Modèle de Thomson ....................................................................................................................................................................................................
10Modèle de Rutherford ................................................................................................................................................................................................
12Modèle de Chadwick .................................................................................................................................................................................................
13Classons les éléments ! ............................................................................................................................................................................................
14La Lumière... ...................................................................................................................................................................
15La Lumière, une Onde ...............................................................................................................................................................................................
15Particules et Ondes ...................................................................................................................................................................................................
15La lumière, onde ou corpuscule ? .............................................................................................................................................................................
16La diffraction de la lumière ........................................................................................................................................................................................
19L'expérience de Young ..............................................................................................................................................................................................
20La lumière, une onde particulière ..............................................................................................................................................................................
21Le Corps Noir ............................................................................................................................................................................................................
22Notion de Corps noir .................................................................................................................................................................................................
22Expérience de Kirchoff ..............................................................................................................................................................................................
23La Catastrophe Ultraviolette ......................................................................................................................................................................................
23Loi de Rayleigh-Jeans ...............................................................................................................................................................................................
24La loi de Wien ...........................................................................................................................................................................................................
25La Quantification de l'Energie .........................................................................................................................................
26Un Quantum, des Quanta .........................................................................................................................................................................................
26Quantas .....................................................................................................................................................................................................................
26Explication physique de la loi de Planck ...................................................................................................................................................................
27Le Phénomène Photoélectrique ................................................................................................................................................................................
28La Dualité Onde-Particule .........................................................................................................................................................................................
29Naissance de la Physique Quantique .......................................................................................................................................................................
31Le Modèle de Bohr ..........................................................................................................................................................
31Le Modèle électronique de Bohr ...............................................................................................................................................................................
31Spectres ....................................................................................................................................................................................................................
33D'où viennent ces raies ? ..........................................................................................................................................................................................
35Les Nombres Quantiques .........................................................................................................................................................................................
36Le premier nombre quantique : ................................................................................................................................................................................
36Le second nombre quantique : .................................................................................................................................................................................
37Le troisième nombre quantique : ..............................................................................................................................................................................
37Le quatrième nombre quantique : le nombre de spin ...............................................................................................................................................
37Le principe d'exclusion de Pauli ................................................................................................................................................................................
38Le nombre d'électrons dans une couche électronique ..............................................................................................................................................
40La Radioactivité ...............................................................................................................................................................
40Un Nouveau Rayonnement .......................................................................................................................................................................................
42Les différents types de rayonnement radioactifs .......................................................................................................................................................
42La Radioactivité (Bêta moins) ..................................................................................................................................................................................
43La Radioactivité (Bêta plus) .....................................................................................................................................................................................
43La Radioactivité (Alpha) ...........................................................................................................................................................................................
44Désintégrations successives .....................................................................................................................................................................................
45La Loi de Décroissance Radioactive .........................................................................................................................................................................
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La Physique Quantique
Par Vincent Rollet (Aluminium)
Mise à jour : 28/03/2013
Difficulté : Difficile Durée d'étude : 2 mois
Bonjour à tous !
Si vous lisez ce tutoriel, c'est sans doute car vous voulez savoir ce qu'est que
l a horriblement difficile passionnante physique quantique dont on parle
assez souvent ! Ah ? Vous savez déjà ce que c'est ? Ce n'est pas grave,
ce tutoriel vous permettra de comprendre les lois qui y sont liées ! Comment ?
vous les connaissez déjà ? Là encore ce n'est pas grave, car en plus
d'expliquer les lois liées à la physique quantique, ce tutoriel vous montrera
comment les scientifiques ont réussi à les trouver, ce qu'on n'apprend pas
forcément dans les cours purement théoriques. Tout le monde y trouvera
son bonheur.
Pour ce cours, nous allons essayer de comprendre comment du XIXème
siècle jusqu'à nos jours, les scientifiques se sont posés des questions sur la
matière, et comment le monument encore inachevé de la physique quantique
s'est construit pièce par pièce. la progression du cours sera donc
chronologique, et la difficulté du cours augmentera au fur et à mesure de
celui-ci.
Mais ne vous inquiétez pas, tout sera expliqué à partir de zéro !
Chaque chapitre montrera une énigme que les physiciens n’arrivaient pas à élucider, et expliquera comment la physique
quantique a permis de les résoudre.
Bonne lecture !
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Galilée
Partie 1 : La Remise en Cause de la Théorie Classique
Au début du XXème siècle, il y a des petites fissures dans le monde des théories physiques, et certains scientifiques ont eu le
plaisir de montrer que derrière ces fissures se trouvait une autre manière de voir les choses, une autre branche de la physique : la
physique quantique.
Alors, sans plus attendre, allons voir comme cette belle branche de la physique est née !
La Physique !
Nous allons commencer notre voyage en 1850, et voir où en était la physique à ce moment-là et dans quel contexte la physique
quantique a émergé. Mais d'ailleurs, c'est quoi la physique ? Vous allez le découvrir !
C'est quoi la physique ?
Pourquoi la mer apparait bleue ? Pourquoi le bout d'une flamme est bleu ? Pourquoi les objets
tombent ?... Certains hommes ont voulu trouver une réponse à ces questions, et savoir
quelles lois universelles régissent le monde. Comme ces lois devaient être vraies et
applicables partout, on a nommé la pratique de cette recherche du vrai "science" du latin
scientia qui signifie connaissance, savoir du vrai.
Parmi les scientifiques, certains se posaient des questions sur les objets qui les entourent,
soit disant inanimés (je dis soit disant car même dans un verre d'eau, tout n'est pas inanimé),
ces scientifiques s’appellent les physiciens. D'ailleurs, le mot physique provient de φυσικη
(prononcez phusikè) qui veut dire en grec "l'étude de la nature" ou encore "conforme à la
nature".
Les physiciens se différencient des chimistes dans la mesure où les physiciens étudient les
caractéristiques des objets sans les décomposer en atomes, en molécules : une balle, une
voiture. On cherche à prédire leur température, leur vitesse, la pression qui s’exerce sur eux.
La chimie étudie la matière, comment les molécules s'assemblent entre elles, etc.
Lorsque l'on se rapproche de l'infiniment petit, cette distinction entre les deux se fait de manière de plus en plus difficile.
Revenons à la physique : pendant des siècles, les physiciens ont étudié ce qui les entourait, un des premiers grands physiciens
étant Galilée; Il fut suivi de Newton, qui découvrit (entre autres) la loi de gravitation universelle (pourquoi les pommes tombent
), puis de Huygens, Descartes, etc.
Les Différentes Branches de la Physique
Nous allons détailler les principales branches de la physique, et citer les découvertes majeures effectuées dans chaque d'entre
elles :
Science Description
L' Optique L'optique est une science qui étudie le comportement de la lumière : de quoi est-elle composée ?
Newton, par son expérience des prismes montrera que la lumière est composée de plusieurs couleurs.
Est-elle une particule où une onde ? Pour Newton, c'est une particule, pour Huygens, c'est une onde. Au
XIXème siècle, la théorie ondulatoire semble l'emporter. Quelles lois expliquent le changement de
direction de la lumière lorsque celle-ci passe d'un milieu transparent à un autre (la réfraction) ? Descartes
montrera que ce changement de direction est bien prévisible.
La
Thermodynamique
Le mot "thermodynamique provient du grec (thermos) : la chaleur et (dunamos) :
la force. C'est la science de la chaleur. Comment créer une échelle de température? Après de nombreuses
inventions de thermomètres par Galilée et d'autres physiciens, l'échelle de température toujours utilisée
de nos jours est basée sur les travaux de Celsius, ou encore ceux de Kelvin. Le zéro absolu ? C'est dans
l'esprit de Guillaume Amontons qu'il est né : d'après lui, on ne pourrait dépasser une température de -
273,15 °C. Comment se déplace dans l'air un gaz chaud où un gaz froid ? Sadi Carnot va nous l'expliquer
en mettant au point de meilleures machines à vapeur. D'où vient l'énergie émise par un feu de bois ? Le
premier principe de la thermodynamique nous renseigne à ce sujet.
L'
Électromagnétisme
L'électromagnétisme est une science apparue au XIXème siècle pour expliquer que les phénomènes
magnétiques (l'attraction d'un aimant par exemple) et les phénomènes électriques sont liés. Faites
tourner un aimant dans une bobine de cuivre où faites tourner une bobine de cuivre autour d'un aimant,
et du courant électrique traversera la bobine. Les lois régissant ces phénomènes sont les lois de
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et du courant électrique traversera la bobine. Les lois régissant ces phénomènes sont les lois de
Maxwell. Si la lumière arrive à traverser le vide, c'est car c'est une onde électromagnétique, c'est à dire
une onde magnétique et une onde électrique qui évoluent en parallèle et s'alimentent l'une l'autre. Le
champ électrique entraine un champ magnétique et vice versa.
L' Astrophysique Sans doute une des plus ancienne des sciences : l'étude des astres. Un grand nombre de scientifiques
grecs, romains et arabes étudièrent le ciel, Ptolémée en dessina d'ailleurs une carte, présentant la terre
comme le centre du monde. Cette vision peu scientifique fut rectifiée par Copernic au XVIème. Galilée
reprit ses écrits et les fit connaitre, les précisant. Il fut contraint d'abjurer par l'inquisition. Kepler
découvrit que la trajectoire des planètes n'est pas ronde mais elliptique (ovale). Newton par la loi de
gravitation universelle unifia physique et astrophysique. Les découvertes continuèrent, précisant de
plus en plus les modèles de notre univers. Aujourd'hui encore, l'astrophysique reste une des sciences
où l'on connait le moins de choses !
La Mécanique
Newtonienne
La mécanique est également une science du date de très longtemps. La mécanique trouve ses sources
ans l'antiquité avec les découvertes d'Archimède par exemple. La mécanique des "forces" (tous les
objets sont soumis à des forces qui les font évoluer dans l'espace) viendra plus tard avec Galilée, puis
Newton, dont la découverte la plus connue est celle du principe de gravitation universelle, exprimé avec
la formule : . C'est loin d'être se seule découverte, la plupart
de celles-ci étant répertoriées dans ses livres de Mathématiques.
Cette liste est non exhaustive, et bien d'autres branches de la physique existent !
Divisons le monde !
Une galaxie, une planète, une mer, un éléphant, un arbre, un chat, une fourmi, une molécule, un atome... Les physiciens vont
devoir étudier tous ces éléments, tous obéissent à des lois quasi identiques d'ailleurs. Mais il y a un problème. La voie lactée
mesure 100 000 années-lumière de diamètre, soit 9 460 895 288 762 850 000 000 m. On a du mal à se le représenter. Dans l'autre
sens, un atome mesure 0,000000000062 m. Très dur à se représenter également.
C'est pourquoi au XXème siècle, les physiciens ont divisé le monde en 3 niveaux :
L'univers : c'est infiniment grand, les galaxies, les planètes
Le monde macroscopique : c'est tout ce qui est à notre échelle : une pomme, une fourmi, un éléphant
Le monde microscopique : c'est l'infiniment petit, ce qu'on ne peut pas voir à l’œil nu : un atome, une molécule
Partie 1 : La Remise en Cause de la Théorie Classique 5/48
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