Chapitre 9: Les débuts de la théorie quantique

9.1 Le rayonnement du corps noir Divers objets placés dans un four émettent tous une lueur de même couleur apparente. Un corps noir idéal est un corps qui absorbe et tout le rayonnement incident (Exemple: petite ouverture dans une enceinte). Le rayonnement du corps noir est le rayonnement émis par un corps noir. Le spectre de ce rayonnement ne dépend pas de la nature du matériau mais uniquement de sa température.

Loi de Stefan-Boltzmann: à mesure que la température augmente, l’intensité du rayonnement augmente comme la quatrième puissance de la température. Loi du déplacement spectral de Wien: plus la température est élevée, plus la longueur d’onde associée au maximum de la distribution du rayonnement est courte. Loi du rayonnement de Planck: fonction donnant la densité d’énergie en fonction de la longueur d’onde. Cette loi est basée sur l’hypothèse que l’énergie est quantifiée (E = hf), h est la constante de Planck.

9.2 L’effet photoélectrique L’effet photoélectrique est l’émission d’électrons par une surface métallique éclairée. Le courant est proportionnel à l’intensité de la lumière mais indépendant de la longueur d’onde de la lumière. Les électrons sont émis avec une vitesse initiale de sorte qu’il faut appliquer une tension négative V o, appelée potentiel d’arrêt, pour annuler le courant. Le potentiel d’arrêt est indépendant de l’intensité lumineuse mais directement proportionnel à la fréquence de la lumière; f o est la fréquence de seuil en dessous de laquelle il n’y a pas d’électrons émis.

Hypothèse de Einstein: La lumière est quantifiée et l’énergie des quanta de lumière (les photons) est E = hf. Dans le processus de photoémission, un seul photon cède toute son énergie à un seul électron. L’énergie cinétique des électrons est égale à l’énergie d’un photon moins le travail d’extraction Ф nécessaire pour extraire les électrons du métal. Seuls les photons ayant une fréquence (énergie) supérieure à la fréquence de seuil f 0 peuvent produire des photoelectrons. Le travail d’extraction varie selon le matériau utilisé.

9.3 L’effet Compton Longueur d’onde de Compton

L’expérience de Compton montre que le photon se comporte comme une particule lors d’une collision avec une particule chargée. En effet, il y a transfert normal d’énergie et de quantité de mouvement lors d’une telle collision.

Démonstration de la Loi de Compton (Une curiosité qui n’est pas matière à examen!) Merci à Pierre Dargis

9.4: Le spectre des raies

9.5 Les modèles atomiques L’expérience de Rutherford a démontré que la charge positive de l’atome est concentrée dans un volume très petit (r n = m) au lieu d’être répartie uniformément dans tous le volume de l’atome (r a = m).

9.6 Le modèle de Bohr L’électron se déplace uniquement sur des orbites circulaires d’énergie constante E n appelées états stationnaires. Un atome émet (ou absorbe) le rayonnement à une fréquence f lorsqu’il passe d’un niveau d’énergie à un autre. Le moment cinétique L de l’électron est quantifié.

9.7 La dualité onde-particule La théorie ondulatoire semble appropriée pour expliquer la propagation de la lumière, mais la théorie quantique paraît nécessaire pour expliquer l’interaction avec la matière. La lumière est caractérisée par une dualité onde- particule. Selon l’expérience réalisée, elle va se comporter soit comme une particule, soit comme une onde. Ce ne sont que des modèles de représentation. Aux basse fréquences, la représentation par des ondes est adéquate car l’énergie des photos est très faible et la longueur d’onde est grande. Aux fréquences élevées (rayons X), la représentation par des particules prédomine car l’énergie des photons est élevée et la longueur d’onde très courte.