Physique Quantique 1

Publié le par olivier

Deux phénomènes physiques sont à la base de la compréhension de l'aspect quantique de la nature.
Ces deux phénomènes qui intriguaient fortement les physiciens du début du 20ième siècle sont les suivants: 
1-  Le spectre (l'ensemble des couleurs) 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 tirant sur le vert).
<!>  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 c / L, où h est la constante de proportionalité, appelée constante de Planck et c la vitesse de la lumière dans le vide.
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.

 

La suite ici : Physique quantique 2

Publié dans science toute simple

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