Introduction des rudiments de Physique de la matière et du rayonnement Académie de Limoges - Formation continue Introduction des rudiments de Physique de la matière et du rayonnement Nouveaux programmes de Terminales S - Académie de Limoges - Formation continue

- Académie de Limoges - Formation continue Plan de l’exposé Vers le quantum d’énergie Autour du rayonnement du corps noir L’effet photoélectrique Le quantum d’énergie Fréquences de Bohr et spectroscopies La dualité onde-corpuscule Quantité de mouvement du photon ; effet Compton Dualité onde-corpuscule de la lumière ; hypothèse de de Broglie Diffraction des particules matérielles Interférences des particules matérielles - Académie de Limoges - Formation continue

Vers le quantum d’énergie Ou ce qu’il ne faut pas inventer pour résoudre quelques épineux problèmes… - Académie de Limoges - Formation continue

La situation au début du XXème siècle Quatre problèmes majeurs sans solution Interprétation des spectres Effet photo-électrique Rayonnement du corps noir Interprétation des résultats négatifs des expériences de Michelson et Morley Mécanique quantique Physique relativiste - Académie de Limoges - Formation continue

Le rayonnement du corps noir Densité énergétique spectrique à 3000 K, 4500 K et 6000 K - Académie de Limoges - Formation continue

Lois déduites de la physique classique Loi de Stefan-Boltzmann : électromagnétisme et premier et second principes de la thermodynamique Loi de Wien : Lois restées valides après la découverte des quanta - Académie de Limoges - Formation continue

L’effet photo-électrique Caractérisé par : L’existence d’une fréquence de seuil : le rayonnement n’extrait des électrons de la photocathode que si L’intensité de saturation ne dépend que de l’intensité du faisceau lumineux de fréquence n. - Académie de Limoges - Formation continue

Tentatives avortées (I) Rayleigh – Jeans : Vérifiée aux grandes longueurs d’onde, mais divergence de la densité spectrique d’énergie volumique : « catastrophe ultraviolette » - Académie de Limoges - Formation continue

Tentatives avortées (II) Wien – Planck : Vérifiée aux courtes longueurs d’onde, mais ne s’ajuste pas tout à fait exactement aux grandes longueurs d’onde - Académie de Limoges - Formation continue

Enfin le succès ! la loi de Planck 1900 : Loi de Planck du rayonnement du corps noir S’ajuste parfaitement aux courbes des densités spectriques de rayonnement. - Académie de Limoges - Formation continue

Le quantum d’énergie E = h n La solution de Planck introduisit : Une nouvelle constante, la constante d’action, h dont la dimension est « quantité de mouvement x longueur » (action) ou « moment cinétique » , h  6,6260755.10-34 J.s Le quantum d’énergie à la fréquence n, quantité d’énergie indivisible engagée dans une interaction entre un rayonnement de fréquence n et la matière, E = h n - Académie de Limoges - Formation continue

Interprétation de l’effet photo-électrique L’interaction entre le rayonnement et les électrons du métal est unitaire : le transfert d’énergie se manifeste par l’absorption d’un quantum d’énergie, le photon, par un électron : Permet d’expliquer la fréquence de seuil : Einstein 1905 - Académie de Limoges - Formation continue

Interprétation des spectres de raies Raies spectrales  photons de fréquences d’énergie où et sont des énergies possibles pour un électron dans l’atome. Modèle semi-classique de l’atome d’hydrogène : l’atome de Bohr (1913). Quantification des états d’énergie de l’électron dans l’atome. - Académie de Limoges - Formation continue

A la base des spectroscopies Fréquences discrètes d’émission ou d’absorption Les bandes d’absorption (continuum de fréquences de Bohr) différences des niveaux d’énergie des électrons ou des noyaux dans atomes ; existence de couplages entre niveaux discrets lors de l’association d’atomes pour former des ions ou des molécules Permettent l’analyse qualitative et quantitative de nombreuses espèces moléculaires - Académie de Limoges - Formation continue

- Académie de Limoges - Formation continue Spectroscopies (I) d’absorption dans l’U.V. et le visible (l = 180 à 780 nm) Changement d’état électronique (électrons de liaison, non liants ou non partagés) dans les entités chimiques - Académie de Limoges - Formation continue

- Académie de Limoges - Formation continue Spectroscopies (II) d’absorption infrarouge (l = 780 nm à 1 mm) Changement d’état moléculaire. Fondée sur une modification du moment dipolaire de la molécule. Exclut les molécules diatomiques homonucléaires. - Académie de Limoges - Formation continue

Dualité onde - corpuscule De la dualité de la lumière à celle de la matière - Académie de Limoges - Formation continue

Quantité de mouvement d’un photon Relation d’Einstein issue de la relativité : Vitesse du photon : c, donc masse nulle. D’où : - Académie de Limoges - Formation continue

Vérification expérimentale expérience La diffusion inélastique -avec changement de fréquence - d’un photon sur un électron « immobile » apporte la preuve expérimentale de la quantité de mouvement du quantum de lumière : effet Compton (1923) Relation de Compton : - Académie de Limoges - Formation continue

Dualité onde-corpuscule de la lumière Caractère ondulatoire de la lumière : Onde lumineuse gouvernée par la théorie de Maxwell fréquence, longueur d’onde énergie de valeur quelconque interférences diffraction Caractère corpusculaire de la lumière : Flux de photons localisation de l’énergie au moment de l’échange intensité du faisceau quantifiée quantité de mouvement - Académie de Limoges - Formation continue

L’hypothèse de de Broglie (1923) Louis de Broglie : « Le but essentiel poursuivi par cette tentative était de parvenir à une théorie synthétique des ondes et des corpuscules dans laquelle le corpuscule apparaîtrait comme une sorte d’accident incorporé à la structure d’une onde et guidé par sa propagation ». Lumière : conception conception ondulatoire corpusculaire Matière : conception conception corpusculaire ondulatoire - Académie de Limoges - Formation continue

Vérification expérimentale (I) Davisson et Germer découvrent en 1927 le phénomène de diffraction des électrons par un cristal de nickel - Académie de Limoges - Formation continue

Vérification expérimentale (II) Courbes de déviation du galvanomètre en fonction de l’angle f à q donné Dispositif expérimental - Académie de Limoges - Formation continue

Figures de diffraction de rayons X ; d’électrons à travers une mince feuille d’aluminium - Académie de Limoges - Formation continue

Usage de la diffraction corpusculaire Diffraction d’électrons (pénètrent très peu car interaction coulombienne avec les noyaux ; sensibles à Z) Diffraction de neutrons (intensité de la diffraction liée aux sections efficaces de diffusion des neutrons par les noyaux) Analyse de la structure de surfaces ou de couches minces Étude en profondeur des structures cristallines - Académie de Limoges - Formation continue

Interférences construites photon par photon ou particule de matière par particule de matière (I) Dispositif de fentes d’Young éclairé par une source lumineuse de très faible intensité Sans détection de passage des électrons par chaque trou - Académie de Limoges - Formation continue

Interférences construites photon par photon ou particule de matière par particule de matière (II) Dispositif de fentes d’Young éclairé par une source lumineuse de très faible intensité Avec détection de passage des électrons par chaque trou - Académie de Limoges - Formation continue

Et ce n’est pas une vue de l’esprit… Figure d’interférences produite molécule par molécule à travers deux fentes parallèles ; Projectile : dérivé de phtalocyanine Durée expérience : 90mn Origine : physicsworld.com - Académie de Limoges - Formation continue

Existe-t-il un critère de « quanticité » ? A priori : la mécanique quantique est le cadre conceptuel adéquat pour analyser convenablement les phénomènes physiques qui se déroulent dans le domaine microscopique. Concerne les situations pour lesquelles : masse x vitesse x longueur caractéristique h longueur caractéristique longueur d’onde de de Broglie Il existe des situations macroscopiques qui relève de la physique quantique : supraconductivité, superfluidité… - Académie de Limoges - Formation continue

Si tout ceci demeure obscur, rassurez-vous : « Ces cinquante années de rumination consciente ne m’ont pas rapproché de la réponse à la question :  Que sont les quanta lumineux ? Aujourd’hui le premier fripon venu croit qu’il sait ce qu’ils sont, mais il se leurre. » Lettre à Michele Besso du 12 décembre 1951 - Académie de Limoges - Formation continue