Théorie des quanta - Définition et Explications

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Les relations de Broglie (1923)

Alors qu'il était clair que la lumière présentait une dualité onde-particule, Louis de Broglie proposa de généraliser hardiment cette dualité à toutes les particules connues.

Dans sa thèse de 1923, de Broglie associe à chaque particule matérielle d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) E une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) ν selon la relation de Planck-Einstein déjà mentionnée, et, fait nouveau, il propose d'associer à l'impulsion p = mv d'une particule massive (Le mot massif peut être employé comme :) non relativiste une longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) λ, selon la loi :

p \ = \ \frac{h}{\lambda}

Ceci constituait un nouveau pas révolutionnaire. Paul Langevin (Paul Langevin, né à Paris le 23 janvier 1872 et décédé dans...) fit aussitôt lire la thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est...) de de Broglie à Einstein, qui déclara : « Il [de Broglie] a soulevé un coin du grand voile. » Le caractère ondulatoire de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) recevra une confirmation expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) directe avec l'expérience de diffraction des électrons (La diffraction des électrons est une technique utilisée pour l'étude de la...) par un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...) réalisée par Davisson et Germer en 1927.

Les relations de de Broglie peuvent s'écrire également :

\left\{\begin{matrix}E \ = \ \hbar \ \omega\\ \vec{p} \ = \ \hbar \ \vec{k}\end{matrix}\right.

en termes de la pulsation : ω = 2πν et du vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) d'onde \vec{k}, dont la norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un...) vaut : k = 2π / λ.

Le modèle de Bohr et Sommerfeld

Le modèle de Bohr (1913)

Le modèle de Bohr de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) est un modèle qui utilise deux ingrédients très différents :

  1. une description de mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) classique non relativiste : l'électron tourne autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) sur une orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) circulaire.
  2. deux ingrédients quantiques ad-hoc :
    1. Seules certaines orbites circulaires sont permises (quantification). De plus, l'électron sur son orbite circulaire ne rayonne pas, contrairement à ce que prédit la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de Maxwell .
    2. l'électron peut parfois passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) d'une orbite circulaire permise à une autre orbite circulaire permise, à condition d'émettre de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) d'une fréquence bien précise, liée à la différence des énergies entre les deux orbites circulaires conformément à la relation de Planck-Einstein.

Le mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) exotique de ces ingrédients produit des résultats spectaculaires : l'accord avec l'expérience est en effet excellent.

Les améliorations de Sommerfeld (1916)

Sommerfeld va perfectionner le modèle de Bohr en deux étapes :

  1. généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de...) aux orbites elliptiques.
  2. traitement relativiste du modèle à orbites elliptiques.

L'inclusion des effets relativistes ne fera que rendre encore meilleure la comparaison avec les résultats expérimentaux.

Bibliographie

Notes et références

  1. Le premier « petit nuage », selon l'expression de William Thomson, était le résultat négatif de l'expérience de Michelson-Morley (Albert A. Michelson et Edward Morley ont mené une expérience de mesure de la différence de...), dont l'objectif initial était de mettre en évidence le mouvement de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) par rapport à l'éther. Ce deuxième petit nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) conduira Einstein à l'autre grande révolution du XXe siècle : la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de...) restreinte.
  2. Lord Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température...), Nineteenth Century Clouds Over the Dynamical Theory of Heat and Light, The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, Series 6(2) (1901), 1-40.
  3. Un quantum au singulier, des quanta sans s au pluriel, car quanta est déjà le pluriel latin de quantum
  4. Il semblerait que le choix de la lettre h par Planck ne soit pas un hasard : Planck appelait h la « constante auxiliaire », or le mot auxiliaire se traduit en allemand par hilfe.
  5. On considère usuellement que l'électron a été « découvert » en 1897, date qui correspond à la mesure par Thomson du rapport e/m de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) de l'électron sur sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...).
  6. L'existence d'un noyau quasi-ponctuel a été mise en évidence par Rutherford en 1911, par l'analyse de résultats des expériences réalisées sous sa direction par Geiger et Marsden au laboratoire Cavendish (Le laboratoire Cavendish (Cavendish Laboratory) est le département de physique de l'université de...) de l'Université de Cambridge (L'université de Cambridge est une université britannique connue dans le monde entier.).

Références historiques

  • Max Planck (Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, Allemagne...), Initiations à la physique, Flammarion (1941). Réédité dans la collection Champs 204, Flammarion (1989) .
  • Niels Bohr (Niels Henrik David Bohr (7 octobre 1885 à Copenhague, Danemark -...), Physique atomique & connaissance humaine, Gauthier-Villars (1961). Réédité dans la collection Folio-essais 157, Gallimard (1991) .
  • Werner Heisenberg (Werner Karl Heisenberg (5 décembre 1901 à Wurtzbourg, Allemagne -...), La Partie & le tout - Le monde (Le mot monde peut désigner :) de la physique atomique, Albin Michel (1972). Réédité dans la collection Champs 215, Flammarion (1990) .
  • Louis de Broglie (Louis Victor de Broglie, prince, puis duc de Broglie (15 août 1892 à Dieppe,...), La Physique nouvelle & les quanta, Flammarion (1974) . Réédité dans la collection Champs, Flammarion (1990) .
  • Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le...) & Léopold Infeld, L'Évolution des idées en physique - Des premiers concepts aux théories de la relativité et des quanta, (1936). Réédité dans la collection Champs, Flammarion (1983) .
  • Émile Meyerson, Réel et déterminisme (Le déterminisme est une notion philosophique selon laquelle chaque événement est...) dans la physique quantique (La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques...), Hermann, 1933

Synthèses modernes

  • Banesh Hoffman et Michel Paty, L'Étrange histoire des quanta, Collection Points-Sciences 26, Le Seuil (1981).
  • Emilio Segré, Les Physisiens modernes et leurs découvertes - Des rayons X aux quarks, Fayard (1984) . Une histoire vulgarisée qui couvre la période 1895-1983. L'auteur a reçu le (en) prix Nobel en 1959 pour la découverte expérimentale de l'antiproton.
  • (en) Abraham Pais, Inward Bound - Of Matter & Forces in the Physical World, Oxford University Press (1986) . Écrite par un ancien assistant d'Einstein à Princeton, cette remarquable histoire des développements de la physique moderne démarre en 1895 avec la découverte expérimentale des rayons X, et se termine en 1983 lors de la découverte expérimentale au CERN des bosons-vecteurs W et Z. L'auteur décrit avec beaucoup de détails l'évolution des idées, indiquant systématiquement les références des publications originales.
  • Georges Gamow, Trente années qui ébranlèrent la physique (Histoire de la théorie quantique), 1968. Réédité par Jacques Gabay (2000) .
  • Stéphane Deligeorges (ed), Le Monde quantique, Collection Points-Sciences 46, Le Seuil (1984).
  • Emile Noël (ed), La Matière aujourd'hui, Collection Points-Sciences 24, Le Seuil (1981).
  • Étienne Klein, Petit Voyage dans le monde des quanta, Collection Champs 557, Flammarion (2004).
  • José Leite-Lopes & Bruno Escoubès, Sources et évolution de la physique quantique - Textes fondateurs, Masson (1995) . Réédité par E.D.P. Sciences. Donne une vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) générale de l'évolution des idées, du XIXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...) à 1993, ainsi que la traduction française de quelques articles fondateurs.
  • (en) B.L. van der Waerden (ed.), Sources of quantum mechanics, Dover Publications, Inc. (1967) . Ce volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) regroupe quelque-uns des articles pionniers de 1916 à 1926.
  • Bernard Cagnac & Jean-Claude Pebay-Peyroula, Physique atomique - Tome 1 : expériences et principes fondamentaux, Dunod (1975). . Ce livre décrit précisément et en détails les aspects expérimentaux suivants : l'effet photoélectrique (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau...), les spectres optiques, l'expérience de Franck et Hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du...), l'effet Compton, l'émission et l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...), le laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...), la dualité onde-corpuscule, les modèles atomique planétaires, ainsi que de nombreux aspects du magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces...) orbital et du magnétisme de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...), dont l'expérience de Stern et Gerlach.
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