THÉORIE QUANTIQUE. Systèmes à l échelle atomique et subatomique

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1 THÉORIE QUANTIQUE Systèmes à l échelle atomique et subatomique Propriétés physiques des corps à notre échelle (conductivité, magnétisme, couleur, ductilité, etc ) Relations entre lumière et matière Théorie des quanta Première forme élaborée (non relativiste) : Electrodynamique quantique

2 Naissance des idées quantiques BERLIN, 14 DECEMBRE 1900 Energie Fréquence Constante de Planck :

3 LES SCIENCES PHYSIQUES AU MILIEU DU XIX ÈME SIÈCLE Dynamique de Newton Gravitation Causes du mouvement et de l équilibre des systèmes matériels. Astronomie, Constructions mécaniques, Mouvement des fluides, Les 3 lois du mouvement, loi de la gravitation : Newton 1687 Thermodynamique Science de la chaleur et des échanges énergétiques entre les systèmes. Moteurs, Transitions de phases (gaz-liquide-solide, ), Machines à vapeur 1700 (Newcomen, Papin, ) 1 er et 2 ème principes (Carnot 1823, Joule 1841, Clausius ) Electricité et Magnétisme Optique Phénomènes électriques et magnétiques. Franklin 1747, Coulomb 1785, pile Volta 1800, Oersted 1820, Premiers mémoires de Maxwell 1855 Phénomènes lumineux. Lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière Nature de la lumière, origine des couleurs? Newton 1704 : corpuscules matériels Huygens 1690, Young 1802, Fresnel 1821, Foucault 1850 : nature ondulatoire de la lumière

4 NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE Dans la nature UNE ONDE? Au laboratoire : cuve à ondes Fréquence de l onde : 1

5 NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE Dans la nature UNE ONDE DIFFRACTE SOURCES SEC0NDAIRES Au laboratoire Onde incidente Onde diffractée

6 NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE LES ONDES INTERFÈRENT ENTRE ELLES

7 THOMAS YOUNG (1802) NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE Largeur des fentes S 1, S 2 : environ 100 mm (épaisseur d une lame de rasoir) Distance entre les deux fentes : qqs dixièmes de mm Distance entre le plan des fentes et l écran d observation : qqs dizaines de cm

8 THOMAS YOUNG (1802) NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE

9 NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE Dépend de la couleur de la lumière utilisée = = une longueur d onde une couleur lumineuse donnée une fréquence Spectre lumineux (N.B. pas de brun!) 7,510 4,310

10 Spectre du rayonnement électromagnétique NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE

11 Spectre du rayonnement électromagnétique NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE 1801 Ritter 1800 Hershell «rayons chimiques» «chaleur rayonnante» XIX ème siècle

12 Mais qu est-ce qui ondule?? NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE Rayons lumineux Le champ électromagnétique la lumière est une perturbation électromagnétique se propageant dans l'espace suivant les lois de l'électromagnétisme Vision électromagnétique d un rayon de lumière qui se propage

13 LES SCIENCES PHYSIQUES VERS LA FIN DU XIX ÈME SIÈCLE Dynamique Electromagnétisme Thermodynamique statistique Phénomènes électriques, magnétiques et optiques. Equations de Maxwell Clausius 1857 Maxwell Gibbs Boltzmann 1877 Lorentz Helmholtz Hertz Thomson 1897 Hypothèse atomique? Lavoisier, Dalton, Prout, Avogadro, Tableau de Mendeleiev: 1869 La matière est très probablement composée de grains élémentaires (les atomes) Il existe très probablement des grains élémentaires de matière possédant une charge électrique

14 Nouveaux rayonnements : ondes/particules? VERS 1900 L activité de recherche Expérience de Michelson et Morley? Spectres de raies? Chaleurs spécifiques? PARADIGME Découvertes Anomalies Rayonnement du corps noir? Effet Photoélectrique? Incorporation Amélioration INTERACTION LUMIÈRE MATIÈRE?

15 INTERACTION LUMIÈRE MATIÈRE COULEUR DES OBJETS RÉFLEXION TRANSMISSION DIFFUSION ABSORPTION EMISSION Origine de ces comportements divers?

16 INTERACTION LUMIÈRE MATIÈRE Origine des spectres de raies? Fraunhofer 1815, Talbot 1826, SPECTRES DE RAIES Un élément chimique = un spectre de flamme particulier Flammes colorées, de gauche à droite : violet pâle (potassium), rose fuchsia (lithium), rouge (strontium), orangé (calcium), jaune (sodium) Un modèle pour l atome?

17 Rayonnement thermique des corps Kirchhoff 1859, Stefan 1879, Wien 1893, Rayleigh et Jeans 1900, Émission de lumière par un corps porté à une certaine température CORPS NOIR Filament incandescent Braises Dans les laminoirs

18 INTERACTION LUMIÈRE MATIÈRE CORPS NOIR Rayonnement purement thermique de l objet : rayonnement du corps noir : un corps «idéalisé» qui absorbe tout rayonnement incident et qui le ré-émet sous forme de rayonnement thermique : rayonnement dû seulement à la température à laquelle est porté l objet La «couleur thermique» de l objet n est pas sa couleur habituelle. Elle est la même pour tous les objets si on fait abstraction de leurs propriétés particulières (Kirchhoff ) Equilibre thermodynamique

19 Lorsque le corps noir est porté à une certaine température, comment l énergie (l intensité) du rayonnement thermique de ce corps se répartit-elle entre les différentes «couleurs» émises? Intensité lumineuse Température : T 1??? T 2 I (rouge) I (bleu)??? bleu rouge Couleur (longueur d onde)

20 CORPS NOIR 730 C Spectre continu 27 C Vision nocturne (infrarouge)

21 CORPS NOIR 2000 C

22 CORPS NOIR Soleil COMMENT DÉDUIRE LES COURBES, DU RAYONNEMENT DU CORPS NOIR A L AIDE DE LA THÉORIE?

23 1896 : Wien 1899 : Planck : Rubens, Kurlbaum, Pringsheim, Lummer: écart significatif

24 1896 : Wien 1899 : Planck Rayleigh : juin 1900

25 Principes du Calcul Classique : Equations de Maxwell : Une particule matérielle chargée émet un rayonnement électromagnétique lorsqu elle est accélérée(lorentz ) ESRF Grenoble

26 le rayonnement du corps noir prend pour origine le mouvement vibratoire des particules chargées (oscillateurs) qui constituent la paroi : elles absorbent tout rayonnement incident, quelque soit sa couleur, et le ré-émettent(pas forcément sous la même couleur) intégralement, de telle sorte que, globalement, l équilibre thermodynamique soit réalisé.

27 Equations de Maxwell + Thermodynamique statistique Calcul de l énergie (intensité) du rayonnement dans l enceinte pour une «couleur» donnée, à l équilibre thermodynamique.!, 1 #$%&'(') * + $%*(,-%()&.( * + '% $.##/0(')1 (Amplitude de l oscillation) 2 Moyenne thermodynamique à calculer selon les lois en vigueur

28 Thermodynamique statistique : la répartition énergétique des oscillateurs suit une loi statistique de Bolztmann 2- ( 3 45 Nombre d oscillateurs Température : 2 4 énergie Moyenne thermodynamique à calculer selon les lois en vigueur : on trouve :,-%()&.( * + '% $.##/0(')1

29 !, 6 7 Catastrophe ultra-violette ( ) 05) Planck 19 octobre 1900

30 Planck décembre 1900 Nombre d oscillateurs Température : Etc énergie

31 = formule de Planck 1990

32

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