Physique quantique - Définition et Explications

Introduction


Mécanique quantique
 \hat H | \psi\rangle = i\hbar\frac{{\rm d}}{{\rm d}t}|\psi\rangle
Postulats de la mécanique quantique

Histoire de la mécanique quantique

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Max Planck (Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, Allemagne...) est considéré comme le père de la physique quantique (La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques...).

La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques nées au XXe siècle. Elle est caractérisée par la présence de la constante de Planck (En physique, la constante de Planck, notée h, est une constante utilisée pour décrire la taille...). Avec la relativité, cette branche de la physique marque une rupture par rapport à ce que l'on appelle maintenant la physique classique, qui regroupe l'ensemble des théories et principes physiques admis au XIXe siècle , cette dernière ayant échoué dans la description de l'infiniment petit — atomes, particules — et dans celle de certaines propriétés du rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.). La physique quantique comprend :

  • l'ancienne théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) des quanta ;
  • les postulats de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) quantique ;
  • la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...) non relativiste ;
  • la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...) (dont la formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits...) repose sur la théorie quantique des champs) ;
  • la physique de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) condensée ;
  • la physique statistique (La physique statistique a pour but d'expliquer le comportement et l'évolution de systèmes...) quantique ;
  • la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) quantique ;
  • les théories candidates à une description de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) quantique.

Histoire

Corps noir (En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend...) et catastrophe ultraviolette (La catastrophe ultraviolette, formulée dans la seconde moitié du XIXe siècle et ainsi...)

D’après les théories classiques de la physique, un corps noir à l'équilibre thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...) est censé rayonner un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus,...). Plus précisément, l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) rayonnée par bande de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) doit tendre vers l'infini quand la longueur d'onde tend vers zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr,...), dans l'ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur...) pour les physiciens de l'époque, puisque ni les rayons X ni les rayons gamma n'étaient alors connus. C’est la catastrophe (Une catastrophe est un événement brutal, d'origine naturelle ou humaine, ayant généralement la...) ultraviolette.

Introduction des quanta en physique

Elle remonte aux travaux effectués en 1900 par Planck sur le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) du corps noir à l’équilibre thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...). Une cavité chauffée émet un rayonnement électromagnétique (lumière) aussitôt absorbé par les parois. Pour rendre compte du spectre lumineux par le calcul théorique des échanges d’énergie d’émission et d’absorption (dE), Planck dut faire l’hypothèse que ces échanges sont discontinus et proportionnels aux fréquences (ν) du rayonnement lumineux : dE = nhν.

  • n est un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) entier
  • h est le quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit...) d’action qui apparut bientôt comme l’une des constantes fondamentales de la nature (constante de Planck)
  • ν est la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...)

Quantification du rayonnement et des atomes

En 1905, à la suite d’un raisonnement thermodynamique dans lequel il donnait aux probabilités un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) physique (celui de fréquences d’états pour un système), Einstein fut amené à considérer que ce ne sont pas seulement les échanges d’énergie qui sont discontinus, mais l’énergie du rayonnement lumineux elle-même. Il montra que cette énergie est proportionnelle à la fréquence de l’onde lumineuse : E=hν. Cela donnait immédiatement l’explication de l’effet photoélectrique observé 20 ans auparavant par Hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du...).

Effet photoélectrique (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau...)

L’énergie E = hν apportée par le quantum de lumière à l’électron lié dans un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) permet à celui-ci de se libérer si cette énergie est supérieure ou égale à l’énergie de liaison de l’électron, nommée également travail de sortie W, en vertu de la relation :

hν = W + Ec

Ec est l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) acquise par ce dernier. Cet effet de seuil était inexplicable dans la conception continue de l’énergie lumineuse de la théorie électromagnétique classique.

Limites de la théorie électromagnétique classique

Einstein s’aperçut alors que cette propriété du rayonnement était en opposition de manière irréductible avec la théorie électromagnétique classique (élaborée par Maxwell). Dès 1906, il annonça que cette théorie devrait être modifiée dans le domaine atomique. La manière dont cette modification devrait être obtenue n’était pas évidente puisque la physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois...) reposait sur l’utilisation d’équations différentielles, dites équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois...), correspondant à des grandeurs à variation continue.

L’hypothèse quantique

Malgré la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de la théorie des quanta (La théorie des quanta est le nom donné à une théorie physique qui tente de...), peu de physiciens étaient enclins à imaginer que la théorie électromagnétique classique puisse être invalidée. Einstein s’efforça alors de mettre en évidence d’autres aspects des phénomènes atomiques et du rayonnement qui rompaient avec la description classique. Il étendit ainsi l’hypothèse quantique, par-delà les propriétés du rayonnement, à l’énergie des atomes, par ses travaux sur les chaleurs spécifiques aux basses températures. Il retrouvait l’annulation des chaleurs spécifiques des corps au zéro absolu, phénomène observé mais inexplicable par la théorie classique. D’autres physiciens (P. Ehrenfest, W. Nernst, H.-A. Lorentz, H. Poincaré) le rejoignirent peu à peu pour conclure au caractère inéluctable de l’hypothèse quantique que Planck lui-même hésitait à admettre. Elle n’était cependant encore acceptée généralement que pour les échanges d’énergie.

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