cours2 st 27 29

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T
H
U
B
Faculté de Physique
Une histoire
de la physique
Par Y. SALHI
Laboratoire de Mécanique des Fluides Théorique et Appliquée
[email protected]
Le XIX siècle :
Le XIXème commençant voit l'apparition des machines à
vapeur.
La fabrication de celles-ci relève de l'empirisme le plus
total, ce que remarque un très jeune physicien de génie
Sadi CARNOT. Mais la thermodynamique va commencer
par un loupé:
les travaux de CARNOT sont, il est vrai, théoriques,
abstraits et difficiles.
Ses travaux viennent trop tôt. CARNOT a compris le
deuxième principe, le plus difficile, avant le premier. Il a
clairement perçu la nécessité de la source froide et le
sens des échanges; il n'a pas compris la conservation de
l'énergie, ce qui va brouiller les pistes.
Le XIX siècle :
Quelques remarques historiques et épistémologiques
…
L’expérimentateur anglais Michael Faraday (1791-1867)
proposa le premier de décrire l’action de l’électricité en
termes
de
champ
électromagnétique
plutôt
que
de
mouvements de particules chargées. James Clark Maxwell
(1831-1879) généralisa et formalisa les résultats obtenus
par les nombreux pionniers de l’étude des phénomènes
électromagnétiques et leur donna en 1872 une forme
quasi définitive.
Le XIX siècle :
AUGUSTIN FRESNEL
Avec la représentation newtonienne de la lumière, tous les
phénomènes d’optique géométrique rencontraient une explication
satisfaisante; le jet de particules lumineuses rebondit sur un
miroir pour la réflexion.
Newton rendait même compte des phénomènes d’interférences
(c’était faux mais il était le seul à le savoir …).
C’est Augustin Fresnel qui rendit la lumière ondulatoire et
expliqua les phénomènes d’interférences et de diffraction . Il
prouva ses découvertes à une communauté scientifique sceptique
au terme d’un long débat contradictoire devant l’académie des
sciences.
Cet épisode montre combien Newton avait écrasé de son génie
la Physique du XIXème siècle.
Le XIX siècle :
J.C. MAXWELL
Maxwell a réuni dans un même cadre formel la
description des phénomènes électriques, magnétiques et
optiques en introduisant la notion de champ
électromagnétique.
Sa théorie de l’électromagnétisme classique est toujours
très utilisée. Elle a consacré la Physique classique dans
la dernière partie du XIXème siècle.
r
div B = 0
r
uuur r
¶B
rot E = ¶t
r r
div E =
e0
r
uuur r
r
¶E
rot B = m0 ( j + e 0
)
¶t
Le XIX siècle :
REPRESENTATION DE LA NATURE A LA FIN DU XIXème SIECLE:
Rayonnements : lumière ou matière ?
Rayonnement cathodique
•des physiciens dont Crookes, Perrin et Thomson étudient le
comportement des rayons cathodiques en présence d'aimants et de
champs électriques: les rayons sont dévié
•«électrons» :J. J. Thomson conclut que ces rayons sont des
particules négatives qu'il appelle (1898)
Rayons X
•Découverts par Röntgen en 1895
•Nature incertaine jusqu’à Von Laue (1912)
Radioactivité
•Découverte par Becquerel en 1896 (uranium)
•1898-1900 P. et M. Curie, E. Rutherford et P. Villard
comprennent qu’il y a plusieurs types de radioactivité (a, b, g)
Le XIX siècle :
REPRESENTATION DE
XIXème SIECLE
LA NATURE A LA
FIN DU
Il y a des atomes (une centaine) qui constituent la matière, il y a
de la lumière qui est de type ondulatoire et qui vibre sur un
support matériel subtil qui remplit tout l ’espace, l’éther, dont on
sait peu de choses mais on se dit qu’il faut bien vibrer sur quelque
chose.
Enfin il existe deux interactions fondamentales ou élémentaires
agissant à distance : l’électromagnétisme de Maxwell et la
gravitation universelle de Newton.
Le tout répond à la grammaire de la mécanique newtonienne.
Etat de l’art à la fin XIXième siècle
n
n
n
La lumière (rayons X, ultraviolet, visible, infrarouge) se propage
à travers l’espace sous forme d’une onde électromagnétique; car
on observe des phénomènes propres aux ondes, comme la
réflexion, la réfraction, l’effet Doppler, les interférences.
L’électron et le proton sont connus.
Qu’est-ce-donc une onde électromagnétique O.E.M
E
B
l :longeur d’onde
E: champ électrique
B: champ magnétique
Etat de l’art à la fin XIXième siècle
L’étude d’un spectre est
possible au moyen d’un
prisme:
Etat de l’art à la fin XIXième siècle
Etat de l’art à la fin XIXième siècle
REPRESENTATION DE LA NATURE A LA FIN DU XIXème
SIECLE :
Restent des ‘’problèmes mineurs’’ à régler:
ü Le rayonnement du corps noir
üOn n’arrive pas à mesurer la vitesse de la lumière par rapport à
l’éther
ü L’effet photoélectrique
ü Les équations de Maxwell ne sont pas invariantes sous les
transformations de Galilée !
Le XX siècle :
La fin du XIXème siècle marque le triomphe de la physique
classique. Les succès de la thermodynamique et de
l'électromagnétisme
s'accompagnent
de
réalisations
spectaculaires dans la fabrication des moteurs et des
machines thermiques ainsi que dans l'utilisation de
l'électricité
(ondes
radioélectriques,
fabrication,
distribution et utilisation de l'énergie électrique).
On cite parfois le cas d'un physicien français déconseillant à
un de ses élèves de choisir cette branche car il n'y a plus
grand chose à y découvrir.
Deux physiciens vont tout bouleverser: Max PLANCK et
Albert EINSTEIN
Le problème du corps noir
octobre 1900:
Max Planck résout l’énigme de l’émission
radiative d’un corps noir
A l’époque, l’énigme est appelée la
catastrophe ultraviolette !
Qu’est-ce qu’un corps noir ?
C’est un corps qui absorbe toute l’énergie
qu’il reçoit.
L’énergie qu’il émet sous forme de rayonnement
dépend de sa température
Le problème du corps noir
n
Les théories classiques en vigueur ne parviennent pas
à expliquer les observations faites sur l’émission de
l’énergie par un corps noir.
Les prédictions théoriques:
D’après la théorie, l’intensité du
rayonnement devrait croître
lorsque la longueur d’onde diminue
Les observations:
Or dans les faits, ce
n’est pas le cas
Les prédictions théoriques:
D’après la théorie, l’intensité du
rayonnement devrait croître
lorsque la longueur d’onde diminue
Les observations:
Or dans les faits, ce
n’est pas le cas
Octobre 1900: en s’appuyant sur les travaux de Wien (loi de Wien),,
Max Planck trouve une équation qui rend compte des observations
2p hc
Il =
e
5
l
2
æ hc
ö
-ç
-1÷
è l k BT ø
Dans son calcul, Planck:
n doit considérer des portions
d’énergie proportionnelles à la
fréquence,
n mais ces portions ne peuvent
pas être plus petite qu’une
valeur bien précise !
E= h f
avec h = 6,62 10-34 Js
14 décembre 1900:
La catastrophe ultraviolette n’a donc pas lieu
(pour les UV: f = 1015 à 1016Hz)
n
n
Un corps noir rayonne son énergie par
«bouffées» et non pas de façon continue.
On peut traduire cela avec l’analogie suivante:
IMPOSSIBLE !
L’émission d’énergie est
discontinue et chaque saut
d’énergie vaut:
E= h f
avec h = 6,62 10-34 Js
L’effet photoélectrique
1905:
Albert Einstein
résout l’énigme de
l’effet photoélectrique
L’EFFET PHOTOELECTRIQUE
Il existe un phénomène microscopique qui met directement en
évidence (tout au moins on n’a pas d’autre explication) le caractère
corpusculaire de la lumière: c’est l’effet photoélectrique.
Vous envoyez sur certains matériaux de la lumière et observez
INSTANTANEMENT un courant électrique.
Si le phénomène est ondulatoire, il faut un certain temps aux
électrons pour intégrer l’énergie du rayonnement suffisante pour les
éjecter; ce temps est supérieur aux précisions expérimentales.
Description succincte de l’effet photoélectrique
•Le nombre d’électrons éjectés croît lorsque l’intensité du
faisceau augmente, ce qui n’étonne personne.
•Par contre, quelque chose reste inexpliquée par la théorie
: la vitesse d’éjection des électrons ne dépend pas de
l’intensité du faisceau.
•De plus, cette vitesse d’éjection ne dépend que de la
fréquence du rayonnement monochromatique ! Si la
fréquence augmente, alors la vitesse d’éjection augmente
aussi !
•Enfin, en dessous d’une fréquence minimum aucun électron
n’est éjecté quelle que soit l’intensité du faisceau !
Einstein a cherché à calculer l’énergie associée à une onde
monochromatique de haute fréquence.
Il a tenu compte des travaux de Wien (loi de Wien valable aux
hautes fréquences) et de ceux de Boltzmann (relation statistique
de l’entropie basée sur la probabilité d’obtenir un état
macroscopique donné).
En suivant cette approche, il a obtenu que E= n hf . Ainsi d’un
point de vue théorique tout se passe comme si l’énergie contenue
dans le faisceau était quantifiée avec la valeur h f .
Il postule donc que toute lumière voyage par paquets d’énergie
égaux à h f.
Le photon de lumière est né
Avec cette idée de paquets d’énergie, Einstein peut
expliquer l’effet photoélectrique :
Lorsqu’un photon interagit avec un électron, il lui
communique toute son énergie ( = h f ) et il disparaît.
L’électron proche de la surface qui a reçu cette énergie
en cède une partie au métal (= travail d’extraction du
métal) et emporte avec lui sous forme d’énergie
cinétique le reste de l’énergie reçue par le photon.
Ceci permet de poser l’équation suivante :
Energie cinétique = h f – W0
W0: travail d’extraction
En 1915, cette équation a été vérifiée
expérimentalement par Robert Millikan,
Energie cinétique = h f – W0
C’est l’équation d’une droite
En résumé:
n
n
n
n
n
n
La lumière est émise par la matière de façon
discontinue.
La lumière se compose de paquets d’énergie; le mot
photon n’apparaît en fait que dès 1923.
La lumière est absorbée par la matière de façon
discontinue.
La lumière a donc un comportement MIXTE que l’on peut
expliquer très grossièrement comme ceci:
Lorsqu’elle «voyage», elle se comporte comme une onde.
Lorsqu’elle interagit avec la matière, elle se comporte
comme des particules (= paquets d’énergie).
n
En 1910, Ernest Rutherford (prix Nobel de chimie
en 1908) bombarde une mince feuille d’or (épaisseur
environ 1/10000 mm) avec des particules alpha.
Avec cette expérience, il peut confirmer un modèle
de l’atome basé sur un noyau très petit entouré d’un
« système planétaire » d’électrons.
n
n
n
Le problème, c’est qu’en physique classique, avec un tel modèle,
les électrons devraient perdre leur énergie par rayonnement en
10-8 sec !
Or, ce n’est pas le cas !
période 1913 - 1920:
En 1913, Niels Bohr
propose un modèle pour l’atome d’hydrogène (noyau formé
d’un proton avec un électron en orbite) basé sur le
concept de l’énergie quantifiée.
Puis d’autres physiciens (de Broglie, Pauli, Heisenberg,
Schrödinger, …) contribuent à améliorer la
compréhension du comportement des électrons
atomiques.
L’idée de base de Niels Bohr
n
n
Il propose de quantifier les orbites sur
lesquelles l’unique électron de
l’hydrogène peut se trouver selon son
état d’énergie.
Il définit que ces orbites doivent
satisfaire au critère suivant:
L’électron se trouve sur une orbite dans
un état stationnaire lorsque son moment
cinétique est un multiple entier d’une
constante
m v R = n h/2p avec n = 1, 2, 3, …
n
n est le nombre quantique principal.
L’idée de base de Niels Bohr
énergie
extérieure
n
n
Lorsqu’un électron reçoit de l’énergie
de l’extérieur (énergie lumineuse,
électrique, thermique, …), il
« saute » vers une orbite supérieure,
ce qui correspond à une augmentation
du nombre n.
Lorsqu’un électron perd de l’énergie, il
le fait « par saut » et il émet
toujours un photon :
En principe un électron ne reste pas
dans un état excité, il retourne donc
à un état énergétiquement plus bas en
émettant un photon dont la fréquence
est définie par l’énergie perdue égale
à
Dn (h/2p) f
SAUT
Émission
d’un photon
L’idée de base de Niels Bohr
•Avec ce modèle, on trouve par calcul que l’énergie à
échanger pour éjecter l’électron d’un atome
d’hydrogène vaut 13,6 eV (c’est le phénomène
d’ionisation).
•La fréquence qui correspond à cette énergie est
égale à 3,288 1015Hz. C’est la fréquence des
rayons X.
•Expérimentalement, l’hydrogène est effectivement
ionisé lorsqu’il est illuminé par ce type de rayons X.
L’idée de base de Niels Bohr
le modèle de Bohr contient
une ambiguïté
n
Tant que l’électron reste sur son orbite, il obéit aux lois
de Newton (physique classique).
n
Mais quand il change d’orbite, il obéit aux lois de Planck
et Einstein (physique des quantas)
n
Les physiciens vont alors s’attaquer à cette ambiguïté
En 1923, Louis-Victor de Broglie a une idée géniale !
L’idée géniale est la suivante:
n
n
Puisque les ondes électromagnétiques peuvent être considérées comme
des corpuscules qui interagissent avec la matière… Pourquoi la
réciproque ne serait-elle pas vraie
Louis-Victor de Broglie propose d’associer à toute particule de
matière une onde dont la longueur l est définie par :
l = h / (m v)
n
En fait, la particule est associée à un
groupe (ou paquet) d’ondes dont le
maximum d’amplitude se déplace à la
vitesse de la particule !
Cette idée géniale va être confirmée
expérimentalement !
n
n
En 1927, Clinton Davisson (assisté
de Germer) …
et George Thomson …
prouvèrent l’exactitude de l’idée
de L.-V. de Broglie en observant
la diffraction d’électrons sur une
cible polycristalline (cristal de
Nickel).
Le XX siècle :
n
n
n
N. Bohr propose de quantifier le rayon des orbites
électroniques et il imagine que les électrons atomiques
ne peuvent perdre de l’énergie que par paquets et en
changeant d’orbite, en émettant un photon.
Son modèle est ambigu: mélange de physique classique
et de physique quantique.
L.-V. de Broglie lève l’ambiguïté en proposant que
chaque particule élémentaire a des propriétés
ondulatoires. Il introduit ainsi une condition entre la
vitesse des électrons et une longueur d’onde associée,
ce qui fixe les rayons possibles.
Le XX siècle :
Pour étudier ces sauts, il suffit de mesurer les spectres de
lumière émis par des atomes qui absorbent ou qui émettent de
l’énergie
L’étude d’un spectre est
possible au moyen d’un
prisme:
A titre d’exemple, voici le spectre de la lumière blanche:
Théoriquement,
voici comment peut se présenter un spectre :
Spectres d’absorption
Spectres d’émission
Les électrons atomiques absorbent
de l’énergie et la restitue en
émettant un photon d’une longueur
caractéristique de la transition
effectuée.
Un faisceau de lumière blanche
traverse un gaz, les électrons
atomiques du gaz absorbent une partie
de cette énergie à des fréquences
caractéristiques des sauts effectués
et il la restitue en émettant des
photons dans toutes les directions.
Donc à ces fréquences il y a une
diminution de l’intensité du faisceau.
Chaque atome a une signature électronique qui lui est
propre et qui est caractéristique des sauts que ses
électrons peuvent effectuer !
N7
He2
Fe26
Ca20
L’idée de Niels Bohr est donc validée !
L’étude des spectres confirment que les électrons atomiques gagnent
et perdent de l’énergie par sauts entre orbites, chaque orbite
correspondant à un niveau d’énergie
La figure ci-contre présente
les différents sauts d’énergie
possibles pour l’électron de
l’atome d’hydrogène.
Chaque niveau correspond à
une valeur du nombre
quantique principal.
Tous ces niveaux d’énergie
ont pu être observés dans le
spectre d’émission de l’atome
d’hydrogène.
Je vous remercie de votre
attention