COMPRENDRE LA RÉVOLUTION QUANTIQUE

Une introduction à la mécanique quantique sans équations fondée sur les expériences présentées dans l'exposition Remue-méninges à Bruxelles – 100 ans de Conseils de Physique Solvay (2011-2016).


1) L'état de la physique à la fin du XIXe siècle : le déterminisme, Newton et Maxwell, particules et ondes.


2) Quelques nuages obscurcissent le ciel : quelques problèmes non résolus à la fin du XIXe siècle..


3) La révolution : Planck, Einstein, le premier Conseil Solvay, Bohr, de Broglie, la dualité onde-particule.


4) Conclusion : qu'avons-nous appris ?

Nous vivons dans un monde quantique. Nous en utilisons des applications au quotidien.

Il y a un siècle aucune de ces applications n'existaient.

Etat de la physique à la fin du XIXe siècle

A la fin du XIXème siècle, deux théories complémentaires semblent expliquer tous les phénomènes : La mécanique de Newton et l’électromagnétisme de Maxwell

Newton

1643 - 1727

Maxwell

1831 - 1879

Ces théories sont déterministes

Par exemple, la théorie de Newton permet le calcul des orbites planétaires

Le déterminisme

Electromagnétisme de Maxwell

La théorie de Maxwell décrit les propriétés électriques et magnétiques de la matière. Elle explique aussi la nature de la lumière

La bobine de Ruhmkorff : l’étincelle produite par une différence de potentiel élevée entre deux tiges est constituée d‘un flux de charges électriques

L’électricité peut être produite par induction magnétique : le mouvement d’un fil métallique entre les fers d’un aimant crée un courant électrique

Expérience d’induction magnétique

Dynamo d’une bicyclette

Production industrielle d’électricité

Pour ceux qui souhaitent en apprendre plus sur les ondes afin de mieux comprendre la suite cliquez ici
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La double fente

La cuve à ondes met les interférences en évidence.
Des franges d’interférences sont produites par des petites vagues qui passent à travers une double fente.

Schéma de la formation de franges

L'expérience de Young

Un montage optique montre la nature ondulatoire de la lumière :

Une lumière monochromatique passe par une double fente et produit des franges d’interférence sur l’écran

La lumière est donc constituée d’ondes

Un grand succès de la théorie de Maxwell est d’avoir expliqué la nature des ondes lumineuses. Ce sont des ondes électromagnétiques qui n’ont pas besoin d’un milieu matériel pour se propager.

Petite roue à ailettes

Une petite roue à ailettes est mise en mouvement par un flux d'électrons.

Les électrons ont une masse et obéissent aux lois de Newton

Les électrons sont des particules

Conclusion à la fin du XIXe siècle

Deux théories complémentaires semblent décrire tous les phénomènes physiques :


- les particules obéissent aux lois de Newton
- les ondes lumineuses sont décrites par les équations de Maxwell.

Cependant personne ne comprend la nature profonde de ces lois. Elles sont capables d’unifier un grand nombre de faits physiques mais elles résultent de l’expérience et personne ne peut dire qu’il en comprend réellement la nature profonde.

Quelques nuages obscurcissent le ciel

Quelques petits problèmes ne peuvent être expliqués par les théories de Newton ou de Maxwell.

Pourquoi la lumière émise par les atomes ne contient-elle pas toutes les couleurs de l’arc-en-ciel (spectre discret) ?

Quelle est l’origine de la radioactivité ?

Pourquoi ne sommes-nous pas brulés quand nous regardons à l’intérieur d’un four ?

Le problème du rayonnement du corps noir (catastrophe ultraviolette) :

Tout objet émet un rayonnement qui dépend de sa température. Selon la théorie, l’énergie émise devrait être infinie, en contradiction évidente avec l’observation, puisque nous pouvons regarder à l’intérieur d’un four.

La révolution

1900 : Planck découvre une formule qui décrit le rayonnement du corps noir

h est une constante inévitable.
Sans elle, pas de description, ni d’explication, du rayonnement du corps noir.

Interprétation : la lumière rayonnée est émise par petits paquets dont l’énergie dépend de sa fréquence :

E = h ν

les quanta d’énergie.

1905 : Einstein et l’effet photoélectrique

De la lumière peut éjecter des électrons d’une plaque métallique.


Lorsque les électrons sont recueillis sur une anode, un courant peut circuler dans le circuit.


Seule de la lumière de fréquence élevée est capable d’extraire des électrons de la plaque.

Longueur d’onde en nanomètre (nm)

Energie en électron-volts (eV)

L'effet photoélectrique

1. L'expérience

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2 . Un analogue mécanique

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L’effet photoélectrique est expliqué par le fait que la lumière est constituée de quanta d’énergie h ν qui se comportent comme des particules.


Plus tard, ils seront appelés photons.


Le caractère ondulatoire de la lumière est admis depuis l’expérience de la double fente de Young au début du XIXe siècle.


Maintenant, la lumière a un caractère corpusculaire!

C’est la dualité onde-particule

Ces résultats troublants ont été discutés lors du premier Conseil de Physique Solvay en 1911 auquel a été invitée l'élite scientifique de l'époque.

La théorie des quanta a encore été discutée lors des Conseils suivants. Notamment, en 1927, le cinquième Conseil Solvay a permis la discussion entre tous les protagonistes de la théorie quantique : Schrödinger, Heisenberg, Dirac, Pauli, Born, de Broglie, … Einstein et Bohr, mais ceux-ci sont déjà parmi les vieux.

Le modèle de Bohr de l’atome d’hydrogène

L’aspect corpusculaire de la lumière a été exploité par Bohr pour construire un modèle de l’atome.

1. L’électron unique de l’atome d’hydrogène ne peut se déplacer que sur certaines orbites autour du noyau. Chacune de ces orbites correspond à une énergie différente de l’électron.


2. Quand un électron passe d’une orbite à une autre correspondant à une énergie plus basse, un quantum de lumière est émis dont la fréquence ν dépend de la différence d’énergie entre deux orbites.


3. Inversement, un quantum de lumière peut être absorbé par l’électron si sa fréquence ν correspond à la différence d’énergie entre les deux orbites.


On dit que les niveaux d’énergie sont quantifiés.

Avec ce modèle, Bohr a été capable, entre autres, d’expliquer la nature discrète du spectre atomique.

Mais quelle est l’origine de la quantification des orbites ?

N.B. Le modèle de l’atome a changé drastiquement depuis l’époque de Bohr

La nature duale des électrons

1924 : Louis de Broglie propose que :

Une onde est associé à l’électron

Cette onde associée peut expliquer pourquoi seulement certaines orbites apparaissent dans l’atome de Bohr.


Comme une corde de violon, un cercle peut seulement vibrer à certaines fréquences bien définies.

L’expérience de Debye-Scherrer : des électrons traversent une poudre cristalline et sont recueillis sur un écran fluorescent. ils forment une figure d’interférence.

Les électrons se comportent comme des ondes !

Pourquoi les figures d'interférence sont-elles circulaires dans l'expérience de Debye-Scherrer?

Les électrons se comportent comme des ondes !

Cependant...

L’expérience de Thomson : trajectoire des électrons dans un champ magnétique

Les électrons se comportent ici comme des particules.

Conséquences de la dualité

Le déterminisme est perdu

Extension spatiale des ondes impossibilité de spécifier précisément la position des objets quantiques.

probabilités.

Principe d’incertitude

Impossibilité de mesurer simultanément la vitesse et la position des particules.
Un temps infini est nécessaire pour mesurer avec précision leur énergie.

Complémentarité

Selon le montage expérimental, les objets quantiques se comportent comme des particules ou comme des ondes.

La dualité à l'oeuvre

1909 : Taylor mène déjà une expérience.

La lumière d’une bougie est atténuée par des verres fumés. Exposition de plaques photographiques jusqu’à trois mois.

Des photons arrivent un par un sur les plaques. L’accumulation des photons produit des franges d’interférence

L’expérience de Taylor aujourd’hui

Il ne faut pas essayer d’interpréter ou de comprendre ce résultat.
C’est juste un fait expérimental. Nous devons l’accepter comme la pomme qui tombe sur le sol.

Mais essayons d’en comprendre les implications!

Conclusion

Qu’avons-nous appris ?

A une échelle atomique ou subatomique, la distinction entre onde ou particule disparait, ce sont des descriptions complémentaires

la certitude est remplacée par la probabilité

les problèmes comme ceux du rayonnement du corps noir, de la radioactivité ou des spectres atomiques discrets ont été résolus.

Même des prédictions peuvent être faites.


Le spectre atomique de l’hélium a été calculé et est comparé avec l’observation expérimentale.

Quelques propriétés quantiques étranges, comme l’intrication, sont mal comprises et font encore l’objet de débats, mais elles peuvent être utilisées pour des applications, par exemple en cryptographie.

Si appliquer est équivalent à comprendre, alors nous comprenons beaucoup de la théorie quantique : les applications sont nombreuses.

Il y a un siècle aucune de ces applications n'existaient.

Images :

Vincent Dery - Cellule image du CTE (ULB)

Jean Wallenborn (ULB)

Edouard Brainis (UGent)

Sophie Allein (K.A. Etterbeek)

Récit : Jean Wallenborn (ULB)


Création du site web : Thomas Philippe


Site web des Instituts Solvay : http://www.solvayinstitutes.be


Merci à l’équipe de conception de l’exposition remue-méninge à Bruxelles (ULB et VUB) - (2011-2015)

Qu'est-ce qu'une onde?

Un train d’ondes ressemble à ceci :

Les ondes peuvent se déplacer à droite ou à gauche

La fréquence est égale au nombre de crêtes qui passent par seconde en un point donné. La vitesse de propagation “c” relie la longueur d’onde “λ” à la fréquence “ν”

λ ν = c

Quand les ondes se rencontrent, elles interfèrent, c’est-à-dire qu’elles s’additionnent.
C’est une caractéristique exclusive des ondes

Crêtes et creux s’annihilent

Ensemble, crêtes et creux se renforcent

Cordes vibrantes: les ondes se réfléchissent aux extrémités avec inversion des creux et des crêtes. Les ondes qui se propagent en sens opposé interfèrent. Suivant la longueur de la corde et la vitesse de propagation des ondes, pour des fréquences définies, des ondes stationnaires se forment.

Fin de la parenthèse sur les ondes