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UE 14 Histoire des sciences – La Mécanique Quantique
Histoire des sciences :La Mécanique Quantique
« Quiconque n'est pas choqué par la mécanique quantique ne la comprend pas. »Niels Bohr
UE 14 Histoire des sciences – La Mécanique Quantique
Plan
Chapitre I : IntroductionI. Définition de la mécanique quantiqueII. ApplicationsIII. Développements
Chapitre II : Naissance de la mécanique quantiqueI. Contexte historique II. Notion d’ondeIII. Le corps noirIV. L’effet photoélectriqueV. Conclusion
Chapitre III : Le formalisme quantiqueI. Les postulats de la mécanique quantiqueII. Les écoles d’interprétationIII. Les enjeux actuels
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I. Contexte historique
1) La mécanique classique dite « newtonienne »
Isaac Newton (1643-1727)
Philosophiae Naturalis Principia Mathematica
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Démonstration des lois de Kepler !
Formalisation de la mécanique classique :•Statique : étude des corps à l'équilibre (forces, moments, …)•Cinématique : étude du mouvement (trajectoire, vitesse, accélération),•Dynamique : étude des causes du mouvement : relations entre la cinématique et les forces ou moments (principe fondamental, énergie cinétique, mécanique)
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I. Contexte historique
2) Principes et limites de la mécanique classique
• Temps absolu : il est le même partout dans l’espace et dans le temps
• Espace absolu : euclidien et non déformable
• Interactions instantanées : certaines forces agissent à distance
Tous ces principes, plus ou moins intuitifs et acceptés à l’époque, seront mis à mal par la mécanique relativiste
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I. Contexte historique
3) Les bases de la science
• Déterminisme : Enchaînement de cause à effet entre deux ou plusieurs phénomènes.
• Principe de Causalité : si un phénomène (nommé cause) produit un autre phénomène (nommé effet), alors l'effet ne peut précéder la cause.
Le principe de causalité a été étroitement associé à la question du déterminisme : dans les mêmes conditions, les mêmes causes produisent les mêmes effets.
Auguste Comte(1798 – 1857)
• Positivisme : L'esprit scientifique va, par une loi inexorable du progrès de l'esprit humain, appelée loi des trois états, remplacer les croyances théologiques ou les explications métaphysiques.
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I. Contexte historique
4) Applications de la mécanique classique
Domaines d’application
• mécanique du point ,
• mécanique du solide indéformable, et déformable
• mécanique des milieux continus,
� résistance des matériaux,
� mécanique du solide déformable,
� mécanique des fluides.
• mécanique ondulatoire : étude des ondes mécaniques.
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II. Notion d’onde
1) Définition
2) Propriété
Une onde est la propagation d’une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales.
Une onde transporte de l’énergie sans transporter de matière.
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II. Notion d’onde
3) Définitions
Onde impulsionnelle
Onde périodique
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II. Notion d’onde
3) Définitions
Onde transversale
Onde longitudinale
Déplacement perpendiculaire àla direction de propagation
Déplacement parallèle à la direction de propagation
Longueurd’onde
Pres
sion
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II. Notion d’onde
3) Définitions
Onde transversale Onde longitudinale
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II. Notion d’onde
3) Définitions
Onde impulsionnelle
Onde périodique
Onde transversale
Onde longitudinale
Onde progressive
Onde statique
Elle se déplace dans l’espace (voir ci-dessus)
Elle est fixe
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II. Notion d’onde
3) Définitions
Par la suite, nous considérerons une onde progressive transversale périodique.
Elle peut prendre plusieurs formes :
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II. Notion d’onde
3) Définitions
• Son amplitude
Une onde est caractérisée par :
• Sa longueur d’onde (ou sa fréquence)
• Sa vitesse de déplacement (appelée célérité)
• On a également besoin de définir son ordonnée àl’origine des temps, autrement dit, sa phase.
Amplitude
Vitesse
Phase
Longueur d’onde
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II. Notion d’onde
4) Onde électromagnétique : définition
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II. Notion d’onde
4) Onde électromagnétique : spectre
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II. Notion d’onde
4) Onde électromagnétique :spectre (suite)
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II. Notion d’onde
5) Propriétés spécifiques : la diffraction
Diffraction : Une onde ne se propage plus en ligne droite lorsqu’elle rencontre un obstacle dont la taille est de l’ordre de sa longueur d’onde.
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II. Notion d’onde
5) Propriétés spécifiques : la diffraction
Cuve à eau : diffraction Cuve à eau : stroboscope
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II. Notion d’onde
5) Propriétés spécifiques : interférences
Interférences : deux ondes peuvent interagir et donner lieu à des phénomènes particuliers, en particulier si elles sont en phase.
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II. Notion d’onde
5) Propriétés spécifiques : interférences
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II. Notion d’onde
5) Propriétés spécifiques : interférences entre ondes électromagnétiques
Définition : l’intensité est proportionnelle à la valeur moyenne de l’amplitude de l’onde au carré.
I / hAi 2
1 D
2 D
Réseau de diffraction
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II. Notion d’onde
5) Propriétés spécifiques : interférences entre ondes électromagnétiques
1 source : onde
Philippe Saade
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II. Notion d’onde
5) Propriétés spécifiques : interférences entre ondes électromagnétiques
2 sources : onde
Philippe Saade
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II. Notion d’onde
5) Propriétés spécifiques : interférences entre ondes électromagnétiques
2 sources : amplitude carrée
Philippe Saade
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II. Notion d’onde
5) Propriétés spécifiques : interférences entre ondes électromagnétiques
2 sources : intensité
Philippe Saade
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II. Notion d’onde
6) La lumière visible
A la fin du XIXe siècle, il est fermement établi que la lumière est une onde.
James C. Maxwell a développé une théorie complète la décrivant :
James Clerk Maxwell(1831 – 1879)
Pourtant certains problèmes émergent…
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III. Le corps noir
1) Introduction : onde incidente sur la matière
RéflexionTransmission
Absorption
Intensité Incidente = intensité Transmise + Réfléchie + Absorbée
Corps noir :Transmise = 0
Réfléchie = 0L’onde incidente est totalement absorbée
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III. Le corps noir
2) Définition
Que se passe t-il si l’onde en question est une onde lumineuse ?
On éclaire un objet à l’aide d’une lumière blanche (superposition de plusieurs couleurs). Puisque l’objet absorbe toutes les ondes, rien n’est réfléchi : il apparaît noir. D’où le terme de corps noir.
Donc un corps noir… n’est pas forcément noir.
Cependant, à force d’absorber la lumière, le corps accumule de l’énergie : il chauffe.Or, un corps dont la température suffisamment élevée, émet de la lumière…
Lampe halogène
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III. Le corps noir
3) Exemple idéal : le four fermé
On considère un four, totalement fermé et isolé thermiquement de l’extérieur (calorifugé).
À l’intérieur du four, les parois chauffées émettent des rayonnements (de la « lumière »).Ces rayonnement traversent le four et sont absorbés par les autres parois.
Pour une température du four donnée, il s’installe un équilibre thermique entre les atomes des parois du four chauffées et les rayonnements émis et absorbés.
Cet équilibre est indépendant de la nature des parois du four…
Comment observer les rayonnements si le four est fermé ? Il faut, en fait, pratiquer une petite ouverture pour mesurer les rayonnements à l’intérieur du four
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III. Le corps noir
4) Exemple concret : les étoiles
Il y a un équilibre thermique global au sein des étoiles.
Dans une étoile, la lumière est constamment émise et réabsorbée.
En théorie, un rayonnement devrait mettre à peine plus de 2 secondes pour sortir de l’étoile. En réalité, il mettra plus d’un million d’années…
En comparaison du four, ce système n’est pas isolé (calorifugé) : les rayonnements s’en échappent. C’est, entre autre, la lumière que nous voyons.Néanmoins, la proportion de rayonnements qui s’échappe est négligeable en comparaison de celle contenue dans l’étoile.
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III. Le corps noir
5) La catastrophe ultra-violette
Exemples de spectresde corps noirs
Modèle classique
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III. Le corps noir
6) La Loi de Planck
Quantification de l’énergie, multiple de hc/λ.
L’absorption et l’émission d’énergie ne se font pas de manière continue mais discrète
B est une luminance spectrale, c’est à dire une puissance rayonnée par unités d'angle solide, de surface et spectrale.
Ça fonctionne !
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IV. L’effet photoélectrique
1) Expérience
Wilhelm Hallwachs(1859 - 1922)
Philipp Lenard(1862 - 1947)
Heinrich Hertz(1857 – 1894)
Rayonnement incident
Emissiond’électrons
Hallwachs et Lenard ont fait les constatations suivantes :
hν
Plaque métallique
Question : pourquoi l’augmentation de l’intensité du rayonnement ne permet pas l’émission d’électrons, quelque soit la fréquence utilisée ?
On connait déjà la notion de travail d’extraction à cette époque : c’est l’énergie minimale à fournir à un électron pour l’arracher au métal.
1. L’effet n’apparaît que si la longueur d’onde du rayonnement est inférieure à une valeur seuil λ0.
3. En augmentant l’intensité du rayonnement (énergie/unité de surface/unité de temps), on augmente le nombre d’électrons émis.
2. En diminuant encore la longueur d’onde du rayonnement (λ < λ0), on augmente l’énergie cinétique des électrons émis.
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IV. L’effet photoélectrique
2) L’interprétation
Albert Einstein(1879 – 1955)
La lumière est composée de photons. Chaque photon possède une énergie hνννν.
absorption
photon émission d’électron
En augmentant l’intensité lumineuse, on augmente le nombre de photons incidents.
Prix Nobel pour ses travaux sur l’effet
photoélectrique en 1921
Equivalence :W
Photon = impulsion à fournir
énergie restante=
énergie cinétique
Bilan énergétique :
Energie du photon incident
Travail d’extraction
Energie cinétique de
l’électron émis
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V. Conclusion
Doit – on considérer la lumière comme une onde ou une particule ?
Qu’en est-il des autres particules élémentaires comme les électrons ?