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 ?
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
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 Sinon cliquez simplement sur la flèche en bas pour continuer.
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.
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.
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
Télécharger la vidéo ici2 . Un analogue mécanique
Télécharger la vidéo iciL’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.
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.
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)
