La Physique Quantique

La Physique Quantique

Mis à jour le vendredi 6 décembre 2013
La Remise en Cause de la Théorie Classique

La Lumière...

Si vous voyez les objets, c'est grâce à la lumière ! Mais c'est quoi, la lumière ? Les physiciens se sont battus sur ce sujet durant des siècles, avec des résultats passionants.
Mais, je ne vous en dis pas plus, et vous laisse découvrir... :)

La Lumière, une Onde

Avant de commencer, précisons déjà ce que sont les particules et les ondes :

Particules et Ondes

Une particule, c'est un morceau de matière : un atome est une particule; Vous pouvez délimiter une particule dans l'espace. Les ondes, elles ne le sont pas : imaginez un très très grand étang, et lancez une pierre dedans : des vagues vont se former et d'éloigner du point où vous avez lancé le caillou, et celles ci vont perdre en amplitude. Mais elles ne disparaitront pas avant longtemps : elles vont devenir de plus en plus petites, mais tant qu'elles n'atteignent pas un bord, ne disparaîtront pas...

Une onde est une transmission d'énergie sans transmission de matière. Prenons un exemple :

Citation : Petite histoire

Il était une fois, tout près de chez vous, un petit étang calme, qui se reposait tranquillement. Tout à coup, un enfant jette une pierre dedans, troublant ainsi son sommeil :'( . Les gouttes d'eau de l'étang, mécontentes, utilisent l'énergie mécanique (de mouvement) de la pierre pour bouger de haut en bas et montrer leur mécontentement, mais pas de gauche à droite. Quand elles ont montré leur mécontentement, elles transmettent leur énergie aux molécules d'eau voisines, pour quelles aussi bougent et montrent leur colère. l'enfant observe alors des petites vaguelettes se former sur la surface de l'étang

Il y a transmission d'énergie, mais pas de matière, car les molécules d'eau ne se déplacent pas de gauche à droite. C'est cela une onde, une transmission d'énergie sans déplacement de matière

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Tout onde est caractérisée par une période spatiale, dite longueur d'onde, ainsi qu'une fréquence. La longueur d'onde se note lambda ($$\lambda$$) : c'est la distance qu'il y a entre deux "crêtes". La fréquence, c'est le nombre de crêtes dans une seconde et se note de la lettre grecque nu ($$\nu$$). Pour la lumière, on a $$\nu = \frac {c}{\lambda}$$.

La lumière, onde ou corpuscule ?

Un des premiers physiciens à faire de nombreux travaux sur la lumière est Isaac Newton. En effet, en dépit de ses nombreuses contributions en mécanique, il a également beaucoup étudié les différents phénomènes lumineux. Il écrira d'ailleurs un livre sur le sujet : Opticks. Dans ce livre, il explique ses différentes expériences, la plus connue étant celle des prismes : avec des prismes, qui montre que l'on peut décomposer la lumière blanche en plusieurs couleurs. Dans un premier temps, on en comptera 8, puis on découvrira qu'il en existe une infinité regroupées dans un faisceau de lumière blanche. Pour Newton, si la lumière blanche est ainsi décomposée, c'est car la lumière est constituée d'un certain nombre de particules, que le prisme éparpille.

Pour la communauté scientifique de l'époque, Newton a raison : la lumière est constituée de particules. Pourtant, ce n'est pas le point de vue d'un autre physicien : Christian Huygens : pour lui, la lumière est une onde. Mais la renommée de Newton est si grande que la théorie corpusculaire de la lumière finira par s'imposer. Mais tout ceci ma changer au XIXème siècle : un physicien nommé Young va faire une expérience qui prouve que la lumière est bel et bien une onde.

La diffraction de la lumière

La boîte de nuit

Si vous êtes déjà passés à côté d'une boite de nuit, vous connaissez surement le phénomène : lorsque vous vous tenez à côte de celle-ci, vous n'entendez pas une charmante mélodie mais uniquement des basses. Ce phénomène s’appelle la diffraction. Le son est une onde, dont la longueur d'onde est particulièrement élevée, et d'autant plus élevée pour les sons graves; maintenant, voyons voir ce qui se passe à l'intérieur de la boite de nuit. Des haut-parleurs vont emmètre des ondes sonores (la musique) dans toutes les directions:

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Les fronts d'onde

Vous l'avez vu, dans une onde, il y a des "hauts" et des "bas" :

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Lorsque l'onde se propage, les points "hauts" se déplacent, comme l'on peut voir lorsque l'on agite une corde :

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Ce qui fait que lorsque l'on note toutes les "points hauts" de l'onde en fonction du temps, on obtient des fronts d'onde, aussi espacés les uns des autres (de la longueur d'onde plus précisément) -on modélise ici les fronts s'onde sous forme de droites, par simplicité, les fronts d'onde formant des arcs de cercle dans la réalité-:

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La diffraction

Revenons à notre boite de nuit, et séparons les notes graves des notes aiguës (les proportions ne sont pas du tout respectées):

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Sons graves (grande longueur d'onde)

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Sons aigus (petite longueur d'onde)

C'est là qu'intervient le phénomène de diffraction : les sons aigus ont une longueur d'onde tellement faible (mais qui reste élevée pour une onde - tout est relatif) qu'en passant la porte, elles ne s’aperçoivent même pas du changement et continuent leur chemin, bien paisiblement. Par contre, les sons graves ont une longueur d'onde plus élevée, de l'ordre de grandeur de la porte, s'aperçoivent qu'ils passent d'un obstacle, et pour voir ce qu'il y a dehors, partent en toutes directions :-° .

Plus rigoureusement, lorsqu'une onde est exposée à une fente de largeur de même ordre de grandeur que l'onde, ce phénomène de diffraction se produit

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Sons graves (grande longueur d'onde)

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Sons aigus (petite longueur d'onde)

Ce qui explique pourquoi un observateur en face de la porte entend toute la musique et un observateur un peu plus loin n'entend que les basses :

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L'expérience de Young

Lorsque deux ondes se rejoignent, elles interfèrent, et leurs intensités s'additionnent ou se soustraient. Deux ondes en position "haute" s'additionnent, pour n'en former qu'un, et deux ondes en positions contraires s'annulent.

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Si l'on fait évoluer deux ondes côte à côte, avec leur front d'onde et leur positions "hautes" et "basses", on observe des interférences et si l'on capte le résultat au bout d'une certaine distance, on observe le phénomène suivant:

De haut :Image utilisateur

De face :

En blanc, les zones de haute intesitéEn blanc, les zones de haute intesité

Image utilisateurThomas Young

En 1801, Thomas Young, un anglais, décide de trancher entre les théories ondulatoires et corpusculaires. Il fabrique un écran avec deux fentes très fines, que l'épaisseur de la longueur d'onde de la lumière, et le place dans le montage suivant. Si la lumière est une onde, il y aura diffraction et donc interférences, et si la lumière est une particule, il apparaitra sur l'écran deux fines bandes. l'heure de vérité approche : la lumière est-elle une particule où une onde ?

Image utilisateurMontage

Image utilisateurSi la lumière est une particule

Image utilisateurSi la lumière est une onde

Et le résultat est... la lumière est une onde ! On aperçoit un phénomène d’interférences. Là, c'est irréfutable, Newton avait tort, et Huygens avait raison...

La lumière, une onde particulière

Les lumière est donc une onde particulière : c'est une onde électromagnétique. Si l'on voit des couleurs, c'est car les objets émettent directement ou indirectement des radiations lumineuses : l’œil voit des couleurs différente en fonction de la longueur d'onde de celles-ci.

Pour qu'un objet émette de la lumière, on peut le chauffer : il deviendra alors rouge, orange, jaune, blanc puis bleu. C'est le cas des lampes à incandescence ou du soleil qui émettent directement de la lumière.

Mais d'autres objets tels qu'une pomme n’émettent pas directement de la lumière : ils réfléchissent une partie de la lumière qui provient de sources directes de lumière. La pomme (rouge) va être éclairée par la lumière blanche du soleil, et va absorber toutes les radiations lumineuses sauf le rouge, renvoyé par la pomme et qui arrive à nos yeux.

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De plus, et heureusement pour nous, nous ne voyons qu'un petit panel des ondes électromagnétiques, plus précisément celles entre 400 et 700 nm (nanomètres - un nanomètre équivaut à $$10^-^9$$ m). C'est la lumière visible. Lorsque vous effectuez une radio par exemple, vous ne voyez pas les rayons X émis autour de vous. Vous ne voyez pas d'ondes arriver dans votre téléphone portable non plus, et heureusement. :)

Le Corps Noir

Lorsque l'on chauffe un corps, celui-ci émet parfois de la lumière : c'est la cas des ampoules à incandescence. Vous avez sans doute déjà observé une bougie. Lors de cette observation, vous avez remarqué que le bas de la flamme était bleue, alors que le haut de celle-ci était jaune-orangé. On sait depuis longtemps pourquoi : la température de la flamme est plus élevée en bas qu'en haut. On peut d'ailleurs savoir la température d'un four en fonction de la couleur des braises dans celui-ci : une méthode bien connue des verriers. Mais pourquoi un corps chaud émet une couleur différente selon sa température ?

La température d'une flammeLa température d'une flamme

Image utilisateurImage utilisateur

Gustav Kirchoff

Cette question, quelqu'un se l'est posée et a décidé d'y trouver une réponse. Cette personne était un prussien (la Prusse est l'actuelle Allemagne) nommé Gustav Kirchhoff. Pendant un soir d'hiver, celui se reposait devant sa cheminée. En effet, à l'époque, en 1859 plus exactement, le seul moyen de chauffage était le bois. Comme les physiciens ne peuvent tenir sans se poser des problèmes, Kirchoff s'est demandé pourquoi la couleur des braises évoluait selon leur température.

Celui-ci décide donc d'étudier ce phénomène lié à la chaleur. Pour étudier un phénomène, il faut au préalable l'isoler. Dans notre cas, pour étudier les longueurs d'ondes émises par un corps chaud, il faut que notre capteur de prélève que les longueurs d'onde émises par le corps, et non celles d'autres émetteurs de radiations électromagnétiques, celles du soleil par exemple.

Notion de Corps noir

Pour cela, Kirchoff imagine en 1862 un matériau (ou plutôt un groupe de matériaux ayant les mêmes propriétés) appelé corps noir. C'est un matériau idéal qui absorberait toute forme de radiation lumineuse. Expliquons :
Lorsque de la lumière arrive sur un corps, plusieurs choses peuvent se passer :

  • Soit la lumière est réfléchie par le corps

  • Soit la lumière est transmise par le corps, elle passe à travers

  • Soit la lumière est absorbée par le corps, elle est transformée, souvent en chaleur

Réflexion

Transmission

Absorption

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Le corps noir absorbe toutes les radiations lumineuses, donc à froid, il apparait noir (d'où son nom). Logique car il n'émet ou ne réfléchit ni ne transmet de la lumière. La seule manière de changer la couleur de ce corps noir est de le faire chauffer pour qu'il émettre de la lumière directement. Si on mesure les radiations émises par le corps noir, on peut être sûr que le résultat n'aura pas d'impuretés liées à la lumière soleil par exemple.

Expérience de Kirchoff

Kirchoff décide de créer d'utiliser comme corps noir l'intérieur d'un four dont les parois seraient complétement opaques.

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Kirchoff a fait chauffer l'intérieur de toute une série de fours, mais à chaque fois, il a trouvé les mêmes résultats : quel que soit le corps noir employé, pour une même température, on retrouve les mêmes couleurs. Kirchoff s'est dit que ces similitudes devaient avoir un lien avec la forme du four, alors il effectua les mêmes expériences avec des fours de forme différente. Là encore, pas de changement : la couleur d'un corps chaud est identique pour une même température, quelque soit la nature du corps où la manière dont il a été chauffé.

Voici les résultats qu'a obtenus Kirchoff :

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La Catastrophe Ultraviolette

Loi de Rayleigh-Jeans

Le problème, c'est que d'après les lois de la physique classique et la Loi de Rayleigh-Jeans, l'énergie lumineuse émise par un corps chauffé à T Kelvins est définie par $$L_\lambda=\frac{2kcT}{\lambda ^4}$$.

  • $$c$$ est la vitesse de la lumière, égale à environ $$3 \cdot 10^8 \ m \cdot s^{-1}$$ (Mètres par secondes)

  • $$k$$ est la constante de Boltzmann égale à environ $$1,38\cdot 10^{-23} J \cdot K^{-1}$$ (Joules par kelvin)

  • $$T$$ est toujours la température en Kelvins (K)

  • $$\lambda$$ est la longueur d'onde en nanomètre (nm)

  • $$L_\lambda$$ est la luminescence énergétique par longueur d'onde, c'est à dire la quantité d'énergie rayonnée dans une direction précise, et ce pour une longueur d'onde précise. Elle est notée en $$W \cdot m^{-3} \cdot sr ^{-1}$$ (Watts par mètre cube et par stéradian).

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Cette loi de Rayleigh-Jeans nous dit que quand la longueur d'onde est très basse, alors E est très élevé, comme le montre la représentation graphique de la fonction.

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Mais ça ne colle pas avec les observations de Kirchoff : la loi de Rayleigh-Jeans nous dit que plus la longueur d'onde du rayonnement augmente, plus sa luminescence énergétique par longueur d'onde augmente rapidement. Lorsque l'on se rapproche des longueurs d'onde des ultraviolets (inférieures à 400 nm), l'énergie émise est censée être phénoménale. Mais la réalité est tout autre.

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Je vous rappelle qu’en plus de provoquer le bronzage, les ultraviolets sont la principale cause des cancers de la peau. Pourtant, à chaque fois que vous faites cuire un gâteau, même si celui-ci est à 400 K et émet des UV, vous ne mourez pas instantanément de brûlures. >_ Heureusement.

Non, décidément, il y a un problème. On nommera ce problème la catastrophe ultraviolette. D'ailleurs, lorsque Lord Kelvin dira :

Citation : Lord Kelvin

Il reste deux petits nuages dans le ciel serein de la Physique théorique.

L'un des nuages, c'est le rayonnement du corps noir.

La loi de Wien

Pour résoudre le problème, Wilhelm Wien, un Allemand effectue des expériences, et fini par trouver une formule, sans vraiment avoir d'explications.

Cette formule, la voici :

$$L_\lambda = \frac{ C } {\lambda^5} \frac{1}{e^{\left(\frac{c}{\lambda T}\right)}}\$$ .

avec :

  • $$C = 3,742 \times 10^-^1^6 m^4 \cdot kg \cdot s^-^3$$ (constante calculée empiriquement sans lien avec aucune autre constante)

  • $$c = 0,01439 \ m\cdot K$$ ce n'est pas la vitesse de la lumière ! (constante calculée empiriquement sans lien avec aucune autre constante)

Mais cette loi pose problème dans la mesure où ses constantes sont calculée d'une manière complétement empirique : dans toute loi en Physique, on essaye de se rapprocher de constantes telles que la vitesse de la lumière ou encore la constante d’Avogadro (très utile en chimie).

En plus, cette loi diffère de la réalité expérimentale pour les rayonnements à basse fréquence :

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Décidément, il y a un problème, que personne n'arrive à résoudre pour le moment...

Ainsi, il y a un problème... Comment le résoudre ? Einstein va encore un fois se montrer utile...

En conclusion :

  • La lumière est considérée comme une onde

  • Au début du XXème siècle, une grande énigme pose problème aux physiciens : c'est le corps noir et la catastrophe ultraviolette

Une petite citation encore :

Citation : Albert Einstein

Ce qui est incompréhensible, c'est que le monde soit compréhensible.

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