Physique quantique

Radiation de corps noir

Radiation de corps noir (suite) Problème non résolu à la fin du XIXe siècle: Théories formulées: Wien:Oscillation des atomes explique la radiation (énergie de vibration vient du chauffage) Rayleigh-Jeans: hypothèse basée sur les modes de vibration résonnants Spectre de la lumière émis par les corps chauds Valide à courtes  mais diffère à grandes  Valide à grandes  mais diverge à courtes  « Catastrophe de l’ultra-violet »

Radiation de corps noir (suite) Planck (1900): Planck formule une hypothèse deux mois plus tard Présente une formule empirique qui concorde avec les données Transfert d’énergie entre les oscillateurs (atomes, molécules du gaz) ne se fait pas de façon continue, mais par de très petites quantités discrètes:

Radiation de corps noir (suite) On peut alors penser que l ’énergie de toute vibration moléculaire ne peut se faire qu’en multiples entiers de hf: Planck considère lui-même son hypothèse comme un artifice mathématique permettant d’obtenir la bonne réponse « Hypothèse quantique de Planck »

Effet photo-électrique Einstein (1905): Confère une réalité physique à l`hypothèse de Planck avec son interprétation de l’effet photo-électrique Quantum d’énergie: « photon »

Effet photo-électrique (suite)

Les électrons émis (les « photoélectrons ») ont une énergie cinétique maximale où est le potentiel d’arrêt Kmax est indépendant de l’intensité du faisceau?

Hypothèse d’Einstein L’émission de l’électron résulte d’une collision où un photon cède toute son énergie à l’électron: où le travail d’extraction φ est l’énergie minimale pour extraire un électron

Hypothèse d’Einstein (suite) Selon cette hypothèse, augmenter l’intensité du faisceau ne fait qu’augmenter le nombre de photons, et donc le nombre d’électrons émis. L’énergie de l’électron dépend de l’énergie individuelle des photons.

Effet photo-électrique (suite)

Selon l’hypothèse d’Einstein Pour qu’il y ait émission d’un électron, il faut que l’énergie du photon soit au moins égale au travail d’extraction: où f0 est appelée la fréquence seuil

Atome d’hydrogène Mystère du spectre de l ’hydrogène: Modèle de Bohr: 1- Les e- se déplacent uniquement que sur certaines orbites circulaires orbites stationnaires 2- Il y a émission d’un rayonnement seulement si un e- passe d ’une orbite permise à une autre d’énergie inférieure 3- Le moment cinétique de l’e- ne peut prendre que des valeurs entières multiples de Émission de lumière à certaines  précises

Atome d’hydrogène (suite) Équilibre de forces:

Atome d’hydrogène (suite) Transition d’un état d’énergie à un autre:

Dualité onde-corpuscule Photon se comporte à la fois comme une onde et un corpuscule De Broglie suggère de généraliser cette dualité à la matière

Dualité onde-corpuscule Observation des propriétés ondulatoires de la matière par diffraction ou par interférence: Microscopes électroniques

Dualité onde-corpuscule (suite) Observations Et si on diminue l’intensité du faisceau jusqu’à ce que les électrons passent un par un?

Dualité onde-corpuscule (suite) On observe le patron d’interférence quand même! Forcés d’admettre que les électrons passent par les deux fentes en même temps!!

Atome d’hydrogène

Principe d’incertitude Heisenberg (1927): Il est impossible de déterminer à la fois la position et la quantité de mouvement d ’une particule avec un degré de précision arbitraire: Relié à la nature ondulatoire de la particule

Principe d’incertitude (suite) Tentative de détermination de la position avec un microscope: L’électron « éclairé » subit un recul qui modifie son impulsion p par une quantité p impossible à déterminer

Principe d’incertitude (suite) Conclusion: l’acte simple d’observer un électron (ou toute autre particule ou objet) perturbe l ’état original de celui-ci d’une manière indéterminée Au lieu de faire des prédictions déterministes précises sur l ’état ultérieur d ’un système, nous sommes contraints à déterminer les résultats possibles d’une observation, en donnant les probabilités relatives de chacun de ces résultats