Vous avez dit
physique quantique?
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Pour ceux qui viennent d'arriver, voici un petit schéma représentant la constitution d'un atome :
Vous avez dit : "Quantas"?
Les quantas.
Nous avons vu page précédente que les électrons étaient considérés comme de minuscules "billes" tournant très rapidement autours du noyau. Cependant, quelque chose chiffonait un peu les physiciens de l'époque, comme Niels Bohr ou Max Planck : si ces électrons tournaient réellement très rapidement autours du noyau, comme l'affimait alors le modèle standart, ces derniers devraient émettre un rayonnement continue. Or, qui dit émission d'un rayonnement dit perte d'énergie. Donc au cours du temps, nos électrons devraient perdre peu à peu de leur énergie, et donc par voie de conséquence, le rayon de leur orbite devrait diminuer, et les électrons finiraient par s'écraser sur le noyau. Bref, la matière, telle que nous la connaissons aujourd'hui, ne devrait plus exister. Gros problème!
Max Planck eut alors une idée, que l'on peut qualifier d'idée de génie : il posa comme hypothèse que nos électrons ne pouvent pas émettre le rayonnement qu'ils veulent, mais qu'ils ne pourraient en réalité émettre que certaines longueurs d'ondes extrèmement précises. L'énergie ainsi émise serait obligatoirement un multiple d'une valeur fixe, notée h, et appelé aujourd'hui constante de Planck. De plus, seules certaines émissions d'énergie (Sous forme de rayonnement) seraient autorisées. En gros, nos électrons émettraient leur énergie par "paquets", appelés quantas.
A présent, cela change tout : prenons un atome quelconque, mettons l'atome d'hydrogène, c'est le plus simple (Un proton, autours duquel orbite un unique électron). Dans la théorie de Planck, l'énergie de notre électron ne peut avoir que des valeurs précises, multiples de la constante de Planck. Notre électron n'a donc uniquement le droit de décrire des orbites dont la valeur du rayon est extrèmement précise. On parle à présent de niveau d'énergie. Si notre électron veut "grimper" ou "descendre", il doit "sauter" directement à une orbite plus haute ou plus basse, mais il lui est strictement interdit de se situer entre les deux. De plus, pour effectuer ce "saut", il devra perdre (S'il veut descendre) ou gagner (S'il veut monter) la quantité d'énergie exacte correspondant à la différence d'énergie entre les 2 niveaux ou plus qu'il veut sauter. Cette énergie est multiple de h. Cette énergie, émise ou absorbée, se fait par l'intermédiaire de photons de longueur d'onde donnée par la formule :
E = hn.
E est le différentiel d'énergie entre les 2 niveaux ou plus, h la constante de Planck est n la longueur d'onde de notre photon.
On en déduit que chaque atome ne peut émettre ou absorbé que des photons de longueurs d'ondes très précise. Ainsi, si dans le spectre d'une étoile, vous obtenez de grandes raies noires correspondant à la longueur d'onde de l'hydrogène, par exemple, c'est que les photons de cette longueur d'onde ont été absorbés entre leur émission par l'étoile et l'observation faite sur Terre : on en déduit que la lumière de l'étoile a traversé un nuage d'hydrogène sur sa route. Cette méthode permet de connaître de manière extrèmement précise la composition des matériaux rencontrés par notre lumière sur son chemin.
Pour plus de précisions, consultez la page sur les radiations.
Le problème est donc résolu : notre électron ne peut pas s'écraser sur le noyau, car il est dans l'impossibilité de descendre plus bas que le premier niveau d'énergie.
Ces niveaux d'énergie sont nommés par des lettres : K pour le plus proche du noyau, et donc le moins énergétique, puis L, M, N.... Le niveau K ne peut recevoir que 2 électrons. On complète alors le niveau M, qui peut en recevoir 8, puis lorsque celui-ci est saturé, le niveau N, qui peut en recevoir 8. Après, ça se complique un peu.
Plus notre électron est sur un niveau d'énergie loin du noyau, plus il est énergétique et plus sa position est instable. Il a donc tendance à redescendre spontanément vers le niveau d'énergie le plus bas, position la plus stable, en émettant un photon. Lorsque notre électron est sur le niveau le plus bas, on dit que notre atome est dans son état fondamental.
Delà de nombreuses applications. L'ampoule électrique, par exemple. Le courant électrique chauffe le filament. Les électrons des atomes constituants le filaments, excités, vont grimper d'un ou de plusieurs niveaux d'énergie. Puis ils vont chercher à redescendre, et pour cela ils émettront un photon, donc... de la lumère. C'est pour cela q'un corps chauffé devient rouge, puis jaune, puis blanc au fur et à mesure que la chaleur augmente : les électrons, de plus en plus excités, vont grimper de plus en plus "haut". Pour redescendre, ils devront alors émettre des photons de plus en plus énergétiques, donc avec une fréquence de plus en plus importante, qui vont donc se décaler vers le bleu du spectre.
Le principe d'incertitude.
C'est la base, le fondement même de la mécanique quantique. Il met fin au déterminisme classique. En effet, auparavant, les physiciens imaginaient que les électrons, tournants autours du noyau de l'atome, suivaient des orbites extrèmement précises, qui, une fois connues avec précision, permettraient de prévoir la position future des électrons. On comparait à l'époque les électrons autours du noyau à des planètes autours d'une étoile.
Oui, mais voilà : pour Heisenberg, il est impossible de connaître à la fois la position des électrons et leur mouvement. Le physicien, malgré tous les moyens qu'il pourra déployer, ne pourra jamais connaître parfaitement à la fois la position et le mouvement d'un électron, et sera donc incapable d'en prévoir la destinée. En fait, plus l'une de ces deux caractéristiques est connue avec précision, plus la seconde est forcée d'être imprécise.
Voici une explication qui vous permettra, je l'espère de mieux saisir le problème :
Vous êtes fan de formule 1, et plus particulièrement de Schumacher. Lors du grand prix de France, vous réservez une place dans une tribune face à la grande ligne droite, où les voitures déboulent à près de 300 km/h. Vous avez bien évidement amenez avec vous votre appareil photo, appareil vous permettant de choisir manuellement le temps de pose. Pour votre première photo, vous choisissez un temps de pose très long, disons 1/10° de seconde. Vous photographiez le quadruple champion du monde, et sur les gradins, vous développez la photo. Qu'observez vous? Un magnifique filé ! La Ferrarie est totalement floue, et semble mesurée plusieurs dizaines de mètres de long. Avec cette photo, il vous est facilement possible de connaître la direction du mouvement de la voiture, son sens, et même d'estimer sa vitesse. Par contre, vue la taille du filé, il vous est impossible de connaître sa position exacte.
A présent, vous réglez le temps de pose sur une valeur très brève, 1/1000° de seconde par exemple. La Ferrarie arrive, vous appuyez et hop, vous développez la photo. Cette fois ci, vous obtenez une Ferrarie extrèmement nette, placez avec précision sur la piste. Vous connaissez donc sa position avec une extrème précision. Par contre, vous êtes dans l'impossibilité de connaître son mouvement. Est-elle immobile ou avance t'elle? En regardant la photo uniquement, vous ne pouvez absolument pas le savoir. Et si elle avance, dans quelle direction? Tourne t'elle? A quelle vitesse? Il vous est impossible, par la seule étude de la photo, de répondre.
Ainsi, avec votre appareil, vous ne pouvez pas connaître à la fois la position et le mouvement de la voiture. Si vous prenez un temps de pose intermédiaire, par exemple 1/250° de seconde, vous obtenez un petit filé. Vous ne savez donc ni la position, ni le mouvement de la voiture avec précision, mais au moins, vous connaissez à peu près les deux. Et plus vous chercher à connaître l'une des deux caractéristiques, plus l'autre devient impossible à déterminer. Mais alors? Il suffit de prendre 2 appareils photo, avec 2 temps de pose différents, me direz-vous. Eh bien, c'est un peu les limites de cet exemple : vous n'avez pas le droit de prendre 2 appareils photos.
Le principe d'incertitude, c'est pareil : ou vous connaissez avec précision la position de votre particule, ou vous connaissez son mouvement. Mais vous ne pourrez jamais connaître exactement les 2. De là, pas de prévisions possibles, quelque soit les techniques utilisées. Si vous avez compris cela, vous avez saisi les base de la physique quantique. En physique quantique, on ne parle donc qu'en terme de probabilités d'existence. Et les électrons ne se situent plus sur une orbite, mais forment un nuage de probabilité. Plus le nuage est dense, plus vous avez de chance d'y trouver un électron. Et même si vous le trouvez, vous êtes incapable de prévoir où il sera l'instant d'après.
En haut, le schéma traditionel de l'atome. En bas, le nuage de probabilité du seul électron de l'atome d'hydrogène. On remarque immédiatement que c'est beaucoup plus compliqué, et que surtout cet électron n'est pas défini avec précision. Ce nuage de probabilité est le même pour tous les atomes d'hydrogène, dans le même état physique (En gros, à la même température, et situé en dehors d'un champs électromagnétique quelconque).
Le spin.
Notion de spin.
Le spin (prononcez "spine"), est une notion assez incompréhensible. En très très gros, cela correspond à la rotation de la particule sur elle-même par rapport à sa direction, et à sa symétrie.
Chaque particule possède une valeur précise de spin, identique pour toutes les particules de la même famille. Il existe 3 valeurs de spin : 1/2, 1 et 2.
Le spin de valeur 1.
C'est le plus facile à comprendre. Cela signifie qu'il vous faut faire faire un tour entier sur elle-même à votre particule pour retrouver la particule de départ. Démonstration.
Prenez une photo, par exemple celle de ce superbe paysage corse, que nous appellerons image 1.
A présent, tournons le de 180 degrés. On obtient évidement ceci :
C'est, en gros, l'image 1 à l'envers. Maintenant, si je reprends l'image 1et que je lui fait faire un tour entier sur elle-même, je vais obtenir ceci :
Avant Après
Eh bien, c'est pareil pour une particule de spin de valeur 1 : pour la retrouver identique à elle-même, il suffit de lui faire faire un tour entier sur elle-même. La quasi totalité des objets qui nous entourent permettent de vérifier ce principe.
Le spin de valeur 1/2, ou demi-entier.
Le spin demi-entier, c'est le même principe que pour le spin de valeur 1 (Ou spin entier), à ceci près qu'il ne faut à présent plus que faire faire à la particule 1/2 tour sur elle-même pour la retrouver à l'identique. La meilleur méthode pour comprendre est d'utiliser une carte à jouer, par exemple le roi de carreaux.
Faisons tourner cette carte d'un demi tour sur elle-même. On obtient la même chose qu'avant :
Rotation d'1/4 de tour. Rotation d'1/2 tour
Il en va de même pour les particules de spin demi-entier : 1/2 tour suffit pour leur rendre leur aspect originel.
Toutes les particules de matière sont des particules à spin demi-entier.
Le spin de valeur 2.
Si vous avez compris le principe, vous avez saisit que le spin de valeur 2 signifie qu'il faut faire faire à la particule 2 tours sur elle-même pour retrouver l'aspect originel. C'est quelque chose de totalement inimaginable pour nous, impossible à illustrer.
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Suite du programme : une physique quantique plus mathématique.
