quantique, théorie

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Présentation

quantique, théorie, théorie qui utilise le concept d’unités discrètes, appelées quanta, pour décrire les propriétés dynamiques de la matière et du rayonnement.

Les bases de la théorie quantique sont fixées en 1900 par le physicien allemand Max Planck, qui affirme que la matière et l’énergie rayonnante ont une structure discontinue. Dès lors, la théorie quantique devient le fondement de toute la physique moderne.

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Historique des débuts

Aux xviii^e et xix^e siècles, la mécanique d’Isaac Newton semble fournir une description exhaustive des mouvements des corps. Cependant, vers la fin du xix^e et le début du xx^e siècle, les lois de la mécanique classique sont mises en défaut lorsque l’on cherche à les appliquer à des corps de taille atomique (domaine de la mécanique quantique en devenir) ou des corps évoluant à des vitesses proches de celle de la lumière (domaine de la mécanique relativiste en construction). Par ailleurs, au début du xx^e siècle, le physicien britannique Ernest Rutherford découvre la nature des particules alpha (constituées de noyaux d’hélium), et énonce la loi des transformations radioactives, dont l’explication constitue l’un des premiers succès de la théorie quantique.

Les physiciens sont également confrontés à autre problème théorique, qui consiste dans l’absence de toute base moléculaire pour la théorie thermodynamique. Dans son livre intitulé Principes élémentaires de la mécanique statistique (Elementary Principles in Statistical Mechanics, 1902), le physicien américain Josiah Gibbs admet l’impossibilité de développer une théorie de l’action moléculaire capable d’embrasser les phénomènes de la thermodynamique, du rayonnement et les phénomènes électriques tels qu’ils sont compris à l’époque.

Au tournant du xx^e siècle, la nature ondulatoire de la lumière semble confirmée grâce à de nombreuses expérimentations. Les phénomènes d’interférence et de diffraction permettent la détermination de la longueur d’onde de la lumière ; les phénomènes de polarisation mettent en évidence sa transversalité (voir optique). La confirmation expérimentale de la théorie de James Clerk Maxwell, grâce aux expériences de Heinrich Hertz, indique que la lumière est constituée d’ondes électromagnétiques. Cependant, l’interaction entre la lumière et la matière n’est pas encore élucidée. Certains corps étant transparents, d’autres se laissant traverser seulement par des longueurs d’onde déterminées, il s’agit d’expliquer pourquoi le spectre ne présente pas de continuité. En 1887, Heinrich Hertz remarque par hasard que les surfaces métalliques (une plaque de zinc, par exemple) émettent des électrons quand elles sont irradiées par des rayons ultraviolets (effet photoélectrique). De plus, la libération des électrons ne dépend pas de l’intensité lumineuse (processus démontré par le physicien allemand Philipp von Lenard), mais de la fréquence de la lumière incidente. Les physiciens doivent ainsi découvrir une relation pertinente entre les deux théories de la lumière : la théorie corpusculaire, qui présente la lumière comme un flot de particules, et la théorie ondulatoire, qui la considère comme constituée d’ondes électromagnétiques (dualité onde-particule).

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Introduction de la notion de quantum par Max Planck

Le premier développement qui conduit à la résolution de ces difficultés théoriques est l’introduction par Max Planck de la notion de quantum comme réponse aux études conduites par les physiciens sur le rayonnement du corps noir, pendant les dernières années du xix^e siècle (l’expression corps noir fait référence à un corps idéal ou surface qui absorbe, sans aucune réflexion, toute l’énergie de rayonnement). Un corps porté à haute température (« chaleur rouge ») émet la plupart de ses rayonnements dans la gamme des basses fréquences (rouge et infrarouge) ; un corps porté à une plus haute température (« chaleur blanche ») émet relativement plus de rayonnements à de plus hautes fréquences. Dans les années 1890, les physiciens réalisent des études quantitatives détaillées de ces phénomènes et représentent les résultats sous la forme d’une série de courbes ou de graphiques. La théorie classique ou pré-quantique prédisait un faisceau de courbes tout à fait différentes de celles réellement observées. Le travail de Max Planck consiste alors principalement à développer une formule mathématique pour décrire les courbes de façon exacte ; il en déduit une hypothèse physique qui peut expliquer sa formule. Son hypothèse indique que l’énergie est rayonnée seulement par quanta d’énergie hu, où u est la fréquence du rayonnement et h le quantum d’action, connu aujourd’hui sous le nom de constante de Planck.

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La contribution d’Albert Einstein

En 1905, Albert Einstein applique la théorie des quanta de Max Planck aux résultats obtenus par Philipp von Lenard, et propose une explication de l’effet photoélectrique (phénomène observé expérimentalement et au cours duquel des électrons sont émis des surfaces métalliques lorsque celles-ci sont éclairées par un rayonnement de fréquence suffisamment élevée).

Il s’agit de l’hypothèse photonique. Albert Einstein écrit, dans son article Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière (1905) : « En partant de l’hypothèse que la lumière incidente est constituée de photons d’énergie hu, on parvient à expliquer l’émission des électrons consécutivement à l’irradiation lumineuse de la manière suivante : les photons pénètrent dans la couche superficielle du corps et leur énergie se transforme, en partie du moins, en énergie cinétique des électrons. Le cas le plus simple est celui dans lequel un photon cède toute son énergie à un seul électron. En outre, pour quitter le corps, chaque électron doit accomplir un certain travail W, caractéristique du corps. Il s’ensuit que l’énergie cinétique des électrons sortants vaut :

L’énergie cinétique des électrons (mv²/2) est donc indépendante de l’intensité, mais pas de la fréquence (u) du rayonnement incident ; la constante de Planck (h) a toujours la même valeur quel que soit le matériau, et est donc considérée comme une constante universelle. En revanche, l’énergie de liaison électron-métal (W) prend différentes valeurs suivant les matériaux, et si sa valeur est supérieure à hu, la fréquence de la lumière incidente est insuffisante pour libérer les électrons du métal.

À l’époque, cette hypothèse rencontre de vives oppositions, même de la part de Max Planck, et ce n’est qu’en 1921 qu’Albert Einstein reçoit le prix Nobel pour sa théorie sur l’existence des photons, après plusieurs confirmations expérimentales.