Histoire de mécanique quantique

Présentation au sujet: "Histoire de mécanique quantique"— Transcription de la présentation:

1 Histoire de mécanique quantique
La catastrophe ultraviolette du corps noir

2 Histoire de mécanique quantique
La « catastrophe ultraviolette » : formulée par le physicien autrichien Paul Ehrenfest. Résultats de plusieurs expériences faites en 1900, non concordants avec la théorie élaborée entre 1880 et 1900 pour expliquer le rayonnement émis par un corps chauffé. Théorie OK pour des émission de l’IR au vert. Ne fonctionne pas pour le bleu, le violet, et plus encore, l’UV. Max Planck propose (fin 1900) une idée révolutionnaire : l’énergie du rayonnement du corps noir est émise par « paquets » (quanta) et non de manière continue Max Planck Un phénomène physique peut être discontinu. => Naissance de la physique quantique.

3 Histoire de mécanique quantique
L’effet photoélectrique (PE) Émission d'électrons par un matériau, généralement métallique, lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou un rayonnement électromagnétique de fréquence suffisamment élevée, qui dépend du matériau. Effet photoélectrique : on éclaire une plaque de métal et celle-ci émet des e_.

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Constatations expérimentales de l’émission PE - Les e_ ne sont émis que si la fréquence de la lumière est suffisamment élevée et dépasse une fréquence limite appelée fréquence seuil. - Cette fréquence seuil dépend du matériau et est directement liée à l’énergie de liaison des e_ qui peuvent être émis. - Le nombre d’e_ émis lors de l’exposition à la lumière est proportionnel à l'intensité de la source lumineuse. - L’énergie cinétique des e_ émis dépend linéairement de la fréquence de la lumière incidente. - Le phénomène d’émission photoélectrique se produit dans un délai < 10-9 s après l’éclairage, phénomène quasi instantané.

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Einstein (encore !) et l’effet PE Mars Albert Einstein explique l'effet photoélectrique en postulant : « Lorsqu’un rayon de lumière est diffusé à partir d’un point, l’énergie n'est pas distribuée continûment sur des espaces toujours croissants, mais consiste en un nombre fini de quanta d’énergie qui sont localisés en des points de l’espace, se déplaçant sans être divisés, et qui peuvent être absorbés ou générés seulement comme un tout. » Considéré comme la phrase la plus révolutionnaire écrite par un physicien au cours du XXème siècle. Prix Nobel 1921. Quanta d’énergie appelés « photons » en 1926. Cette idée supprimait la possibilité pour le rayonnement du corps noir d'atteindre une énergie infinie (phénomène de catastrophe ultraviolette) Albert Einstein et ?

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Raies de l’atome d’hydrogène Juillet 1913, Niels Bohr expliqua les raies spectrales de l’atome d’hydrogène, en utilisant la quantification : Niels Bohr supposa que les e_ tournaient autour d’un noyau à certaines distances quantifiées fixes et que chacune de ces « orbites sphériques » possédait une énergie associée telle que les transitions électroniques entre les orbites nécessitent des émissions ou des absorptions quantifiées d’énergie. Théories strictement phénoménologiques : pas de justification rigoureuse pour la quantification. Niels Bohr

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Modèle de Bohr Ce modèle est un complément du modèle planétaire d’Ernest Rutherford (1911) : noyau massif chargé positivement, autour duquel se déplace un e_ chargé négativement. Le problème posé par ce modèle est que l’électron, charge électrique accélérée, devrait selon la physique classique, rayonner de l’énergie et donc finir par s’écraser sur le noyau. Niels Bohr propose d’ajouter deux contraintes : - L’e_ ne rayonne aucune énergie lorsqu’il se trouve sur une orbite stable (ou orbite stationnaire). Ces orbites stables sont différenciées, quantifiées. Ce sont les seules orbites sur lesquelles l’électron peut tourner. - L’e_ ne rayonne ou n’absorbe de l’énergie que lors d’un changement d’orbite.

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Dualité onde-matière 1924. Le physicien français Louis de Broglie proposa sa théorie d’ondes de matière, en extrapolant le postulat d’Einstein. Les particules peuvent montrer des caractéristiques ondulatoires, et inversement. Elle a été confirmée en 1927 par l’expérience de Davisson et Germer (diffraction d’électrons par un cristal de nickel). Louis de Broglie

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Les premiers pas Construite sur l’approche de de Broglie, la mécanique quantique moderne naquit en 1925 : Werner Heisenberg et Max Born → mécanique matricielle. Erwin Schrödinger → mécanique ondulatoire. Paul Dirac démontra par la suite que les deux approches étaient équivalentes. Erwin Schröndinger

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Heisenberg et le principe d’incertitude Werner Heisenberg formula son principe d'incertitude en 1927 Pour une particule massive donnée, on ne peut pas connaître simultanément sa position et sa vitesse (vecteur) avec une précision supérieure à un certain seuil Le nom de théorème d’indétermination est parfois préféré car le principe ne porte pas sur l’ignorance « subjective » de grandeurs par l'expérimentateur, mais bien sur une impossibilité fondamentale de les déterminer ! Werner Heisenberg