- Académie de Limoges - Formation continue 1 Introduction des rudiments de Physique de la matière et du rayonnement Nouveaux programmes de Terminales S

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Introduction des rudimentsde

Physique de la matièreet du rayonnement

Nouveaux programmes de Terminales S


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Plan de l’exposé

• Vers le quantum d’énergie– Autour du rayonnement du corps noir

– L’effet photoélectrique

– Le quantum d’énergie

– Fréquences de Bohr et spectroscopies

• La dualité onde-corpuscule– Quantité de mouvement du photon ; effet Compton

– Dualité onde-corpuscule de la lumière ; hypothèse de de Broglie

– Diffraction des particules matérielles

– Interférences des particules matérielles


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Vers le quantum d’énergie

Ou ce qu’il ne faut pas inventer

pour résoudre

quelques épineux problèmes…


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La situation au début du XXème siècle

• Interprétation des spectres• Effet photo-électrique• Rayonnement du corps noir

• Interprétation des résultats négatifs des expériences de Michelson et Morley

Mécanique

quantique

Physique

relativiste

Quatre problèmes majeurs sans solution


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Le rayonnement du corps noir

Densité énergétique spectrique à 3000 K, 4500 K et 6000 K


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Lois déduites de la physique classique

• Loi de Stefan-Boltzmann :électromagnétisme et

premier et second

principes de

la thermodynamique

• Loi de Wien :

Lois restées valides après la découverte des quanta


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L’effet photo-électrique

Caractérisé par :

L’existence d’une fréquence de seuil : le rayonnement n’extrait des électrons de la photocathode que si

L’intensité de saturation ne dépend que de l’intensité du faisceau lumineux de fréquence

0


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Tentatives avortées (I)

• Rayleigh – Jeans :

Vérifiée aux grandes longueurs d’onde, mais divergence de la densité spectrique d’énergie volumique : « catastrophe ultraviolette »


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Tentatives avortées (II)

• Wien – Planck :

Vérifiée aux courtes longueurs d’onde, mais ne s’ajuste pas tout à fait exactement aux grandes longueurs d’onde


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Enfin le succès ! la loi de Planck

1900 : Loi de Planck du rayonnement du corps noir

S’ajuste parfaitement aux courbes des densités spectriques de rayonnement.


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Le quantum d’énergie

La solution de Planck introduisit :• Une nouvelle constante, la constante d’action, h dont la

dimension est « quantité de mouvement x longueur » (action) ou « moment cinétique » ,

h 6,6260755.10-34 J.s

• Le quantum d’énergie à la fréquence , quantité d’énergie indivisible engagée dans une interaction entre un rayonnement de fréquence et la matière,

E = h


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Interprétation de l’effet photo-électrique

L’interaction entre le rayonnement et les électrons du métal est unitaire : le transfert d’énergie se manifeste par l’absorption d’un quantum d’énergie, le photon, par un électron :

Permet d’expliquer la fréquence de seuil : h

W00

Einstein 1905


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Interprétation des spectres de raies

Raies spectrales photons de fréquences d’énergie

où et sont des énergies possibles pour un électron dans l’atome.

mn mnh

nmmn EEh

mE nE

Modèle semi-classique de l’atome d’hydrogène : l’atome de Bohr (1913). Quantification des états d’énergie de l’électron dans l’atome.


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A la base des spectroscopies

Fréquences discrètes d’émission ou d’absorption

Les bandes d’absorption

(continuum de fréquences de Bohr)

différences des niveaux d’énergie des électrons ou des noyaux dans atomes ;

existence de couplages entre niveaux discrets lors de l’association d’atomes pour former des ions ou des molécules

Permettent l’analyse qualitative et quantitative de nombreuses espèces moléculaires


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Spectroscopies (I)

d’absorption dans l’U.V. et le visible ( = 180 à 780 nm)

Changement d’état électronique (électrons de liaison, non liants ou non partagés) dans les entités chimiques


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Spectroscopies (II)

d’absorption infrarouge ( = 780 nm à 1 mm)

Changement d’état moléculaire. Fondée sur une modification du moment dipolaire de la molécule. Exclut les molécules diatomiques homonucléaires.


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Dualité onde - corpuscule

De la dualité de la lumière

à celle de la matière


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Quantité de mouvement d’un photon

• Relation d’Einstein issue de la relativité :

• Vitesse du photon : c, donc masse nulle. D’où :

42222 cmcpE

h

cEp


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Vérification expérimentale

La diffusion inélastique -avec changement de fréquence - d’un photon sur un électron « immobile » apporte la preuve expérimentale de la quantité de mouvement du quantum de lumière : effet Compton (1923)

cos1 cm

he

id

expérience

Relation de Compton :


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Dualité onde-corpuscule de la lumière

Caractère ondulatoire de la lumière :

Onde lumineuse gouvernée par la théorie de Maxwell

• fréquence, longueur d’onde• énergie de valeur quelconque• interférences• diffraction

Caractère corpusculaire de la lumière :

Flux de photons

• localisation de l’énergie au moment de l’échange

• intensité du faisceau quantifiée

• quantité de mouvement


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L’hypothèse de de Broglie (1923)

Louis de Broglie : « Le but essentiel poursuivi par cette tentative était de parvenir à une théorie synthétique des ondes et des corpuscules dans laquelle le corpuscule apparaîtrait comme une sorte d’accident incorporé à la structure d’une onde et guidé par sa propagation ».

Lumière : conception conception

ondulatoire corpusculaire

Matière : conception conception

corpusculaire ondulatoire ph


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Vérification expérimentale (I)

Davisson et Germer découvrent en 1927 le phénomène de diffraction des électrons par un cristal de nickel


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Vérification expérimentale (II)

Courbes de déviation du galvanomètre en fonction de l’angle à donné Dispositif expérimental


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Figures de diffraction

de rayons X ; d’électronsà travers une mince feuille d’aluminium


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Usage de la diffraction corpusculaire

• Diffraction d’électrons (pénètrent très peu car interaction coulombienne avec les noyaux ; sensibles à Z)

• Diffraction de neutrons (intensité de la diffraction liée aux sections efficaces de diffusion des neutrons par les noyaux)

• Analyse de la structure de surfaces ou de couches minces

• Étude en profondeur des structures cristallines

eeV

enm

E

2,1

neV

nnm

E

028,0


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Interférences construites photon par photon ou particule de matière par particule de matière (I)

Dispositif de fentes d’Young éclairé par une source lumineuse de très faible intensité

Sans détection de passage des électrons par chaque trou


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Interférences construites photon par photon ou particule de matière par particule de matière (II)

Dispositif de fentes d’Young éclairé par une source lumineuse de très faible intensité

Avec détection de passage des électrons par chaque trou


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Et ce n’est pas une vue de l’esprit…

Figure d’interférences produite molécule par molécule à travers deux fentes parallèles ;

Projectile : dérivé de phtalocyanine

Durée expérience : 90mn

Origine : physicsworld.com


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Existe-t-il un critère de « quanticité » ?

• A priori : la mécanique quantique est le cadre conceptuel adéquat pour analyser convenablement les phénomènes physiques qui se déroulent dans le domaine microscopique. Concerne les situations pour lesquelles :

masse x vitesse x longueur caractéristique hlongueur caractéristique longueur d’onde de de Broglie

• Il existe des situations macroscopiques qui relève de la physique quantique : supraconductivité, superfluidité…


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Si tout ceci demeure obscur, rassurez-vous :

« Ces cinquante années de rumination consciente ne m’ont pas rapproché de la réponse à la question : Que sont les quanta lumineux ? Aujourd’hui le premier fripon venu croit qu’il sait ce qu’ils sont, mais il se leurre. »

Lettre à Michele Besso

du 12 décembre 1951

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