Mardi 31 juillet 2007

Physique Quantique

Cette lettre que j'aurai probablement du rédiger en anglais, est ma réponse a une question que l'on m'a récemment posé en des termes qui m'ont interloqués et en même temps stimulés. 

 La question fut jetée ainsi par un ingénieur dont je cacherai le vrai nom et nomerai simplement M. Jourdain:
"La physique quantique c'est quoi? C'est une theory fondementale qui n'a finalement aucune application et qui sert à rien, non?"
 
Pour répondre à cette question je ne vais pas vous abreuver d’histoires de la physique ni même tenter d’exposé en détail les idées fondatrices de la physique quantique. Je vais plutôt prendre quelques objets de notre quotidien et montrer quel rôle joue la physique quantique au niveau de leur fonctionnement.
Je divise en deux catégories les appareils dont je vais parler : Les capteurs et les émetteurs de lumière.  Ces appareils et objet ont été developpé grace à l'optoelectronique qui, comme son nom l'indique, est la science qui s'occupe des interactions entre la lumière et les électrons dans les solides.
 
 
Les capteurs :
 
Les appareils photo et caméscopes numériques et autre Webcam :
 
Au cœur de tous ces appareils numériques se trouve une matrice CCD (charge
coupled devices) constituée d’une myriade de détecteurs de radiation lumineuse.
 
                 Fig 1 :   matrice CCD

 
Son rôle, transformer la lumière reçue en différence de potentiel électrique qui pourra être transformé en courant électrique et traité ensuite par des circuits électroniques. La compréhension des mécanismes mis en jeu lors de la transformation du rayonnement lumineux en courant électrique ne peut se faire qu’au travers de la physique quantique.
 
  
 
Les detecteurs infrarouges :
 
Autre type d’appareil fonctionnant de manière similaire aux cameras CCD, les détecteurs de rayonnement infrarouge particulièrement prisés par l’armée mais qui sont également utilisés dans le monde industriel, par exemple pour surveiller le niveau de pétrole à l’intérieur des conteneurs. 
infrared.PNG
On les retrouve aussi devant les portes automatiques des magasins afin de détecter l’arrivé d’une personne ou associés aux urinoirs publiques pour déclenché au bon moment la chasse d’eau. 

 Les cellules solaires :
Celles-ci ne recouvrent pas encore tous les toits des maisons françaises mais cela ne saurais tarder lorsque leur rendement aura été amélioré.
 

Les émetteurs :
 
Les diodes électroluminescentes (LED) :
Celles-ci fonctionnent sur le principe inverse des capteurs. C'est-à-dire que le courant appliqué est transformé en rayonnement lumineux par les diodes. Des LED on en retrouve virtuellement partout, des voyants lumineux sur la majorité de appareils électriques pour indiquer leur mise en fonctionnement jusqu’aux nouveaux phares des voitures en passant par l'éclairage de certains magasins ou immeubles branchés.
                                  me-uniqa-2006-01-l.jpg
 
 
Les diodes lasers :
Ce sont en quelques sortes des LED dont les caractéristiques ont été modifiées afin de rendre la lumière émise quasiment monochromatique et cohérente. laser2.jpg On les retrouve dans tous les lecteurs/graveurs de CD/DVD et les pointeurs. Elles sont également en train de révolutionner le monde des télécommunications. Les communications intercontinentales se font maintenant optiquement. Les flux d’Internet voyagent via fibres optiques qui transportent les signaux lumineux produit par ces diodes lasers (des cables de fibres optiques traversent de part en part l’océan atlantique).
  






Voila monsieur Jourdain, tous ces objets fonctionnent sur des principes établis dans le cadre de la physique quantique. 

à venir: plus de détails sur le fonctionement de ces appareils et en quoi la nature quantique de  la physique joue un role.

Par olivier - Publié dans : science toute simple - Communauté : Science
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Lundi 6 août 2007

Physique Quantique 1

Deux phénomènes physiques sont à la base de la compréhension de l'aspect quantique de la nature.
Ces deux phénomènes qui intriguaient fortement les phycisiens du début du 20ième siècle sont les suivants: 
1-  Le spectre (l'ensemble de couleur) émis par un objet chauffé (ex: Les résistances du grill d'un four). Appeler par les scientifiques, qui ont tendence à se comprendre qu'entre eux :-) le rayonement du corps noir.

2-  L'effet photoélectrique


1- Le Rayonnement du corps noir :
Tous les corps chauffés vont avoir un comportement commun : à une température donnée, ils rayonneront principalement une certaine gamme de longueur d’onde. Le fer, par exemple, une fois chauffé devient rouge. A plus haute température, il vire au jaune, puis au blanc. Autre exemple, notre corps à 37°C émet des ondes à 10 μm (lumière infrarouge non visible). En revanche, à 5000°C (température correspondant à la surface du soleil), les corps chauffés émettent autour de 500 nm (cad jaune).
<!>  Attention, nous parlons ici de corps noir ou équivalent, la couleur d'un objet usuel ne dépend pas seulement de sa température mais aussi de la manière dont il absorbe et réemet la lumière qui l'éclaire.
Pour n'avoir que le rayonnement de corps noir de l'objet
1- il ne faut pas l'éclairer, Pas de source exterieur de lumière
2- recueillir (par un spectromètre) l'émission de lumière en fonction de la longueur d'onde que l'objet émet à cause de sa température.

                          corps noir.jpg
Sur le schema ci-dessus on voit que le maximum d'émission se déplace en fonction de la température du corps chauffé.
 Pour rendre compte du comportement radiatif des objets chauds (comportement donné par le graphique), il faut supposer que la lumière arrive en paquets d’énergie et que chaque paquet d’énergie E est proportionnel à la fréquence de la lumière f (ou  inversement proportionnel à la longueure d'onde l). 
Soit:   E = h x f ou E = h x 1/ l, où h est la constante de proportionalité, appelée constante de Planck.
Si l’on suppose que la lumière est émise continûment et non par paquets (quanta) on ne peut pas reproduire les courbes ci-dessus.
 
2- L'effet photoélectrique :

En 1887, Rudolph Hertz, avait montré que l'on pouvait obtenir un courant électrique en illuminant une plaque de métal avec de la lumière bleue ou ultraviolette mais que l'on obtenait aucun courant en éclairant la plaque avec de la lumière rouge. Quelque soit l'intensité de la lumière rouge, on n'obtenait aucun courant.

Photo-elec.PNG
A l'époque on pensait que la lumière n'était qu'une onde et que son énergie était directement relié à son amplitude et que la fréquence (couleur) ne jouait aucun role. L'expérience de Hertz venait contredire cette idée, puisque la fréquence jouait un role majeur. Néanmoins on disposait suffisamant de preuve experimentale de la nature ondulatoire de la lumière. 
Einstein proposa en 1905 que la lumière devait être à la fois une onde et être composée de particules, c'est à dire de quanta de lumière: les photons. La lumière a donc deux aspects et Einstein appela cet effet la dualité onde-corpuscule de la lumière. L'intensité de la lumière est relié au nombre de photons dans les rayons lumineux et l'energie de chaque photon est proportionelle à la fréquence de la lumière. Cette idée expliquait également le rayonnement du corps noir et fondait les bases de la physique quantique. 
Louis de Broglie en 1923 élargi la dualité onde corpuscule à toutes les particules et par conséquent à toutes choses. Les particules sont à la fois des corpuscules et des ondes. Des phénomènes purement ondulatoires telle que la diffraction ou les effets d’interférence ont été mainte fois observés avec des électrons, des neutrons, des molécules, des atomes et des ensembles d’atomes.
Donc tout objet peut se comporter comme une onde. On associe à l’objet une longueur d’onde qui est inversement proportionnel à la vitesse v et la masse m de l'objet. La constante de proportionnalité h est à nouveau la constante de Planck, constante extrêmement petite.
 L = h / mv  avec h = 6.626 x 10-34 J.s
Prenons un exemple : Une fourmi de 10 mg courant à 1 m/s aura une longueur d’onde
l = 6.626 x 10-34 / 10.10-6 x 1 = 6.626 x 10-28 m soit une longueur d’onde un milliard de milliard de fois plus petite qu’un atome. L’aspect ondulatoire d’objet aussi lourd n’est donc pas perceptible. Par contre pour les particules qui sont beaucoup plus légères leur longueur d’onde peut devenir importante en comparaison de leur taille.
Prenons un atome d’hydrogène (m = 1.67 x 10-27 kg) se déplaçant à la vitesse de 1 m/s. Sa longueur d’onde sera alors de l = 6.626 x 10-34 / 1.67 x 10-27 x 1 = 3.97 x 10-7 = 0.397 micron. Cette longueur est certes très petite mais elle est très grande par rapport à la dimension de l’atome d’hydrogène qui est à peu près 800 fois plus petite.
Obtenir que les atomes d’un gaz d’hydrogène ou autre se déplacent si lentement est une entreprise extrêmement difficile. Pour s’en rendre compte, voyons par exemple la vitesse des atomes d’hydrogène contenu dans l’atmosphère au niveau des pôles à une température d’environ -60°C. La vitesse moyenne des atomes est alors de 2 km/s. Pour obtenir des vitesses de l’ordre de 1 m/s il faut refroidir le gaz d’hydrogène à des températures extrêmement plus faible que celle se trouvant aux pôles. Même refroidir à la température de l’azote liquide sera loin d’être suffisant !
Néanmoins les physiciens s’y sont attelé et ont réussi. Je ne rentrerai pas dans les détails de cette performance, je préciserai seulement pourquoi les physiciens voulaient obtenir des gaz à des températures si froides. La réponse se trouve dans le comportement ondulatoire de la matière. On a vu qu’à des vitesses de l’ordre de 1 m/s la longueur d’onde des atomes est nettement plus grande que leur taille , mais plus remarquable, elle devient aussi grande, voir plus grande que la distance entre chaque atome du gaz. Ce qui fait que ces ondes materielles se recouvrent. Il n’est donc plus possible de parler d’atome individuellement. On a ici un gaz qui acquiert un comportement quantique global. 
      BEC.JPG




Ce comportement peut également se manifester dans des liquides ou des solides sous des conditions particulières et donner lieu à des phénomènes particuliers telle que la supraconduction, la superfluidité ou la condensation de Bose-Einstein. Tous ces phénomènes sont dus à l’aspect ondulatoire de la matière qui prend d’autant plus d’importance que la vitesse des particules est faibles, c'est-à-dire que la température de l’ensemble de ces particules est basse. La figure en anglais ci-dessus illustre le comportement des particules à mesure que leur température diminue.

Par olivier - Publié dans : science toute simple - Communauté : Science
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Lundi 6 août 2007

Physique quantique 2

Un petit mot simple d'abord sur ce que veux dire Quantique:

Quantification Quantique vient de quantité, càd que certaines grandeurs varient par paquet entier et non pas continument. On observe des sauts dans la valeur de ces grandeurs et les valeurs intermédiaires ne sont pas permises. L'energie par exemple est quantifié.



Ce phénomène n'est pas habituel, il heurte notre sens commun. Néanmoins les musiciens connaissent bien des phénomenes de quantification quand ils jouent les harmoniques d'une corde. Ils doivent pincer ou percuter la corde en sa moitié ou en des divisions entières (1/3, 2/5 etc).
Les autres valeurs ne produisant que des grincements ou autres sons barbares ! Les seules oscillations ou ondes stationnaires possibles sont celles qui laisse la corde immobile aux extémités. Conditions imposées au départ car la corde est fixée à chaques bouts. La quantification provient donc du fait que le milieu (la corde) impose certaines contraintes aux oscillations ( un noeud aux extrémités). 
Harmonicos-cordas-copie-1.png Seul les ondes satisfaisant à ces contraintes seront possibles. Ce sont les modes de vibration de la corde aussi appelé harmoniques.

Maintenant il se passe exactement la même chose au niveau atomique. Dans un atome d'hydrogène, l'unique électron est piégé par un proton. C'est à dire que l'électron est contraint à rester au voisinage du proton à cause de la force électromagnétique qui est attractive. L'électron se comportant comme une onde, ces contraintes forcent l'électron à osciller sur certains modes et les autres ne sont plus permis. Chaque mode a sa propre énergie. L'énergie de l'atome d'hydrogène est donc quantifié.
Par olivier - Publié dans : science toute simple - Communauté : Science
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Vendredi 10 août 2007

Et la suite alors?

images-entravaux-copie-1.jpg En travaux !
Par Olivier
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Jeudi 30 août 2007

à venir

voici un lien d'un collègue physicien  sur la superfluidité (spécialiste du domaine): 
http://www.phys.ens.fr/cours/Sandro/

En attendant si vous avez des comantaires, des sugestions ou même des questions de physique, n'hésiter pas à  me laisser un commentaire.
Par Olivier - Publié dans : science toute simple
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                                           g1206.jpg

 

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