Introduction au monde de la mécanique quantique

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Dualité onde-corpuscule

Interprétation probabiliste de la dualité Pour chaque photon émis dans les mêmes conditions, la mesure du lieu d impact du photon sur l écran est aléatoire. En partie seulement car la probabilité de présence d un photon est donnée par l intensité lumineuse ou éclairement sur l écran : P E=<s(t) 2 > Il y a donc des lieux où la probabilité d observer un photon est nulle (frange sombre) On trouve ici le lien entre onde et corpuscule car l éclairement, et donc la probabilité de mesurer un photon (corpuscule), est issu du calcul ondulatoire de l éclairement

La photon Particule de masse nulle se déplaçant à la vitesse de la lumière

Aspect ondulatoire de la matière De Broglie postule la même dualité pour la matière On remplace la fente par une feuille d aluminium qui par sa striure régulière fournie une figure de diffraction Anneaux de diffraction obtenus en transmission à travers une fine feuille d aluminium avec des rayons X à gauche et avec des électrons de même longueur d onde à droite.

Aspect ondulatoire de la matière De Broglie postule la même dualité pour la matière On remplace la fente par une feuille d aluminium qui par sa structure régulière fournie une figure de diffraction Anneaux de diffraction obtenus en transmission à travers une fine feuille d aluminium avec des rayons X à gauche et avec des électrons de même longueur d onde à droite. Aspect ondulatoire de la matière

Aspect ondulatoire de la matière Dispositif similaire à des fentes d Young

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Fonction d onde les mesures sont perturbatrices pour l'objet sondé. La prévision de ces résultats ne peut être que de nature probabiliste La mesure est aléatoire mais suit une loi de probabilité que la mécanique quantique permet de prévoir (aspect déterministe) Fonction d onde permettant de prévoir la probabilité à l issu d une mesure (x,t) Fonction complexe, appelée amplitude de probabilité de présence

Amplitude de probabilité La probabilité élémentaire δp de trouver la particule dans un volume infinitésimal δv autours de M vaut : Densité de probabilité de présence de la particule en M à t est définit par : Pour un problème unidimensionnel, la probabilité de trouvé la particule entre x 1 et x 2 est donnée par : Puisque la particule est forcément quelque part, on obtient la condition de normalisation :

Mais pourquoi utiliser une amplitude de probabilité au lieu d utiliser directement la probabilité?

Analogie avec l optique

Intensité issue d une fente 0.07 0.06 0.05 I 1 =<s 1 (t) 2 > Éclairement 0.04 0.03 0.02 0.01 0-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 Position sur l'écran

Intensité issue d une fente 0.07 0.06 0.05 I 2 =<s 2 (t) 2 > Éclairement 0.04 0.03 0.02 0.01 0-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 Position sur l'écran

Somme des intensités I 1+ I 2 0.14 0.12 Éclairement issu de la première fente Éclairement issu de la deuxième fente Somme des éclairements 0.1 Éclairement 0.08 0.06 0.04 0.02 0-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 Position sur l'écran

Intéférences Résultat issu de l expérience s=s 1 +s 2 0.07 I=<s(t) 2 > 0.06 Éclairement 0.05 0.04 0.03 0.02 On somme les amplitudes et non pas les éclairements 0.01 0-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 Position sur l'écran

Somme des amplitudes De même, pour les ondes matière, on somme les amplitudes de probabilité et non pas les probabilités

Indéterminisme quantique

Indéterminisme quantique De manière générale, on définit l indéterminisme quantique d une grandeur X mesurée par :