Présentation de la mécanique quantique

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Support de la conférénce "qu'est-ce que la mécanique quantique" par Cédric Lémery.
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  • Une présentation de la physique quantique Autrement dit, quelle est la nature de la matière ? Quel est le sens de cette citation d'Hermann Weyl ?
  • Au début du XXème siècle, lorsqu'émerge les idées de la physique quantique, celles-ci apparaissent en rupture avec les idées de l'époque. On ne peut comprendre la physique quantique sans revenir sur le contexte historique qui a présidé à son émergence.
  • Ainsi, la description Newtonnienne du monde consiste à décrire la réalité sous la forme d'objets évoluant dans un espace absolu sans rapport avec ce qu'il contient. Cette méthodologie se révèle très efficace pour décrire le mouvement des objets du quotidien comme les objets astronomiques. C'est ce qui est enseigné en TS : on se donne un système, un référentiel d'étude, les lois de Newton nous permettent de décrire l'évolution des coordonnées d'espace du système.
  • L'efficacité de cette approche a mené au scientisme du XIXème siècle dans lequel on distingue clairement les phénomènes matériels des phénomènes ondulatoires .
  • Dans ce contexte, quelle est la nature de la lumière ? « Vieille » controverse qui remonte au XVIIème siècle opposant Newton partisan de la nature corpusculaire à huygens, partisan de la nature ondulatoire
  • Pour trancher la controverse, rien de tel que l'expérience : l'une des caractéristique des ondes est la diffraction. Celle-ci est difficile à mettre en oeuvre avec la lumière ce qui a longtemps fait pencher la balance du côté des partisans de la nature corpusculaire. Mais au XIXème des expériences de diffraction permirent de trancher le débat.
  • Le halo de la lune, le phénomène des arc-en-ciel sont des phénomènes naturels qui s'explique en affirmant la nature ondulatoire de la lumière. et en 1864, Maxwell propose une description de la lumière en terme ondulatoire parfaitement satisfaisante au niveau théorique et en accord avec l'expérience. A la fin du XIXème siècle, la physique est à ce point « complète » qu'il était déconseillé aux bons élèves de s'engager dans cette voie : tout était compris, il n'y avait plus rien à y découvrir. A vrai dire il ne restait plus que quelques petits problèmes dont celui du rayonnement du corps noir.
  • Ce phénomène, très usuel, est extrêmement facile à observer.
  • Malheureusement, la description classique de ce phénomène en terme d'équilibre entre le rayonnement émis et absorbé, aboutit à une absurdité : l'intensité émise deviendrait infinie aux basses longueurs d'onde. C'est ce que les physiciens de l'époque ont appelé la catastrophe ultraviolette.
  • En 1900, Max Planck propose l'hypothèse suivante pour expliquer la nature du rayonnement émis par un corps chaud. Cette hypothèse est une hypothèse ad hoc , c'est à dire qu'il ne la prend que par ce que cela permet de faire coller la théorie à l'expérience. Il ne donne aucune explication physique.
  • Il faut attendre 1905 pour en avoir une explication physique : la lumière est composée de grains d'énergie et chaque photon porte le quanta d'énergie proposé par Planck. Cette hypothèse fut proposé par un jeune employé du bureau des brevets de Berne. L'idée d'E. est d'attribuée les considérations de Planck à la lumière elle-même plutôt que simplement aux interactions entre la lumière et la matière. Cette année, Einstein proposa 3 articles qui maintenant apparaissent comme les 3 piliers de la science moderne du Xxème : l'un sur les grains de lumière aboutissant à la physique quantique , l'autre sur la nature du temps qui aboutira à la théorie de la relativité et le dernier sur le mouvement brownien qui conduira à la preuve de l'existence des atomes.
  • Présentation de la mécanique quantique

    1. 1. La nature de la matière La physique quantique
    2. 2. Arrière-plan historique
    3. 3. Description Newtonnienne du monde Mouvements des objets dans un espace absolu sans rapport avec ce qu'il contient Confirmée par l'expérience (lois de Képler, mouvements verticaux, etc.)
    4. 4. L'apogée de la physique classique Déplacement d’énergie sans déplacement de matière Déplacement de matière son vague Description Newtonnienne Description Ondulatoire
    5. 5. La nature de la lumière
    6. 6. Une propriété des ondes : La diffraction Vagues Lumière
    7. 7. Petit problème à la fin du XIXème siècle : Comment un corps chaud rayonne de la lumière ? ? La lumière est une onde Description de Maxwell Maxwell, 1864
    8. 8. Rayonnement des corps chauds 600 nm 400 nm 600 nm 400 nm à T = 600°C à T = 2000°C
    9. 9. Explication du phénomène Echange d'énergie entre le rayonnement et la matière : <ul><li>La matière chauffée émet un rayonnement
    10. 10. Le rayonnement est absorbé par la matière </li></ul>Description thermodynamique du rayonnement d'équilibre Catastrophe ultra-violette ! Intensité  Théorie Classique Expérience
    11. 11. La théorie des quantas Mais quelle est la signification physique de cette affirmation ? Les échanges d'énergie matière/rayonnement sont quantifiés : E = h  où  est la fréquence Max Planck, 1900 Intensité  Théorie Classique Expérience Planck
    12. 12. 1905 Un pas vers la déconstruction de la physique classique… La lumière est corpuscule & La lumière est onde Chaque photon porte E=h  La lumière est composée de grains d’énergie : les photons (1923)‏ Albert Einstein, 1905 Employé d’un bureau des brevets de Berne Explication du rayonnement du corps noir et de l’effet photoélectrique
    13. 13. La suite... Pour ceux qui viennent à la conférence ! Plus d'infos sur http://cedric.lemery.free.fr

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