Upload
yassine-afiniss
View
227
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
7/22/2019 La Physique Quantique
1/47
La PhysiqueQuantique
Par Vincent Rollet (Aluminium)
www.siteduzero.com
Licence Creative Commons 3 2.0Dernire mise jour le 17/12/2012
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
2/47
Sommaire
2Sommaire ...........................................................................................................................................1Partager ..............................................................................................................................................3La Physique Quantique ......................................................................................................................
4Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique .....................................................................4La Physique ! .....................................................................................................................................................................4C'est quoi la physique ? ..............................................................................................................................................................................................4Les Diffrentes Branches de la Physique ...................................................................................................................................................................5Divisons le monde ! .....................................................................................................................................................................................................
7Les Atomes ........................................................................................................................................................................7Le Mouvement Brownien .............................................................................................................................................................................................8Des tentatives d'explication .........................................................................................................................................................................................8Einstein la rescousse ! .............................................................................................................................................................................................9Le Noyau Atomique .....................................................................................................................................................................................................9Modle de Thomson ....................................................................................................................................................................................................
10Modle de Rutherford ................................................................................................................................................................................................12Modle de Chadwick .................................................................................................................................................................................................13Classons les lments ! ............................................................................................................................................................................................
14La Lumire... ...................................................................................................................................................................15La Lumire, une Onde ...............................................................................................................................................................................................15Particules et Ondes ...................................................................................................................................................................................................15La lumire, onde ou corpuscule ? .............................................................................................................................................................................16La diffraction de la lumire ........................................................................................................................................................................................19L'exprience de Young ..............................................................................................................................................................................................20La lumire, une onde particulire ..............................................................................................................................................................................21Le Corps Noir ............................................................................................................................................................................................................21Notion de Corps noir .................................................................................................................................................................................................22Exprience de Kirchoff ..............................................................................................................................................................................................23La Catastrophe Ultraviolette ......................................................................................................................................................................................23Loi de Rayleigh-Jeans ...............................................................................................................................................................................................24La loi de Wien ...........................................................................................................................................................................................................
25La Quantification de l'Energie .........................................................................................................................................26Un Quantum, des Quanta .........................................................................................................................................................................................26Quantas .....................................................................................................................................................................................................................26Explication physique de la loi de Planck ...................................................................................................................................................................27Le Phnomne Photolectrique ................................................................................................................................................................................
28La Dualit Onde-Particule .........................................................................................................................................................................................29Naissance de la Physique Quantique .......................................................................................................................................................................
31Le Modle de Bohr ..........................................................................................................................................................31Le Modle lectronique de Bohr ...............................................................................................................................................................................31Spectres ....................................................................................................................................................................................................................33D'o viennent ces raies ? ..........................................................................................................................................................................................35Les Nombres Quantiques .........................................................................................................................................................................................36Le premier nombre quantique : ................................................................................................................................................................................36Le second nombre quantique : .................................................................................................................................................................................37Le troisime nombre quantique : ..............................................................................................................................................................................37Le quatrime nombre quantique : le nombre de spin ...............................................................................................................................................37Le principe d'exclusion de Pauli ................................................................................................................................................................................38Le nombre d'lectrons dans une couche lectronique ..............................................................................................................................................
40La Radioactivit ...............................................................................................................................................................40Un Nouveau Rayonnement .......................................................................................................................................................................................42Les diffrents types de rayonnement radioactifs .......................................................................................................................................................
42La Radioactivit (Bta moins) ..................................................................................................................................................................................43La Radioactivit (Bta plus) .....................................................................................................................................................................................43La Radioactivit (Alpha) ...........................................................................................................................................................................................44Dsintgrations successives .....................................................................................................................................................................................45La Loi de Dcroissance Radioactive .........................................................................................................................................................................
2/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://-/?-7/22/2019 La Physique Quantique
3/47
La Physique Quantique
Par Vincent Rollet (Aluminium)
Mise jour : 17/12/2012
Difficult : Difficile Dure d'tude : 2 mois
968 visitesdepuis 7 jours, class 9/26
Bonjour tous !
Si vous lisez ce tutoriel, c'est sans doute car vous voulez savoir ce qu'est que
l a horriblement difficile passionnante phys ique quantique dont on parleass ez souvent ! Ah ? Vous savez dj ce que c'est ? Ce n'est pas grave,
ce tutoriel vous permettra de comprendre les lois qui y s ont lies ! Comment ?
vous les connaissez dj ? L encore ce n'est pas grave, car en plus
d'expliquer les lois lies la physique quantique, ce tutoriel vous montrera
comment les scientifiques ont russi les trouver, ce qu'on n'apprend pas
forcment dans les cours purement thoriques. Tout le monde y trouvera
son bonheur.
Pour ce cours, nous allons essayer de comprendre comment du XIXme
sicle jusqu' nos jours, les s cientifiques se s ont pos s des questions sur la
matire, et comment le monument encore inachev de la phys ique quantique
s'est construit pice par pice. la progression du cours sera doncchronologique, et la difficult du cours augmentera au fur et mesure de
celui-ci.
Mais ne vous inquitez pas , tout sera expliqu partir de zro !
Chaque chapitre montrera une nigme que les physiciens narrivaient pas lucider, et expliquera comment la physique
quantique a permis de les rsoudre.
Bonne lecture !
Sommaire 3/48
www.siteduzero.com
http://sciences.siteduzero.com/tutoriels-les-plus-visiteshttp://www.siteduzero.com/http://sciences.siteduzero.com/tutoriels-les-plus-visiteshttp://sciences.siteduzero.com/tutoriel-21-744449-la-physique-quantique.htmlhttp://sciences.siteduzero.com/membres-294-378666.html7/22/2019 La Physique Quantique
4/47
Galile
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique
Au dbut du XXme sicle, il y a des petites fissures dans le monde des thories phys iques, et certains scientifiques ont eu le
plaisir de montrer que derrire ces fissures se trouvait une autre manire de voir les choses, une aut re branche de la phys ique : la
physique quantique.
Alors, sans p lus attendre, allons voir comme cette belle branche de la physique est ne !
La Physique !Nous allons commencer notre voyage en 1850, et voir o en tait la physique ce moment-l et dans quel contexte la physique
quantique a merg. Mais d 'ailleurs, c'est quoi la physique ? Vous allez le dcouvrir !
C'est quoi la physique ?
Pourquoi la mer apparait bleue ? Pourquoi le bout d 'une flamme est bleu ? Pourquoi les objets
tombent ?... Certains hommes ont voulu trouver une rponse ces questions, et savoir
quelles lois universelles rgissent le monde. Comme ces lois devaient tre vraies et
applicables partout, on a nomm la pratique de cette recherche du vrai "science" du latin
scientia qui signifie connaissance, savoir du vrai.
Parmi les scientifiques , certains se posaient des questions sur les objets qui les entourent,soit disant inanims (je dis soit disant car mme dans un verre d'eau, tout n'est pas inanim),
ces scientifiques sappellent les physiciens. D'ailleurs, le mot physique provient de(prononcez phusik) qui veut dire en grec "l'tude de la nature" ou encore "conforme la
nature".
Les physiciens se diffrencient des chimistes dans la mesure o les physiciens tudient les
caractristiques des objets sans les dcomposer en atomes, en molcules : une balle, une
voiture. On cherche prdire leur temprature, leur vitesse, la pression qui sexerce sur eux.
La chimie tudie la matire, comment les molcules s'assemblent entre elles, etc.
Lorsque l'on s e rapproche de l'infiniment petit, cette distinction entre les deux se fait de manire de plus en plus difficile.
Revenons la physique : pendant des sicles, les physiciens ont tudi ce qui les entourait, un des premiers grands physiciens
tant Galile; Il fut su ivi de Newton, qui dcouvrit (entre au tres) la loi de gravitation universelle (pourquoi les pommes tombent
), puis de Huygens, Descartes , etc.
Les Diffrentes Branches de la PhysiqueNous allons dtailler les principales branches de la phys ique, et citer les dcouvertes majeures effectues dans chaque d'entre
elles :
Science Description
L' OptiqueL'optique est une s cience qui tudie le comportement de la lumire : de quoi es t-elle compos e ?
Newton, par son exprience des prismes montrera que la lumire est compose de plus ieurs couleurs.
Est-elle une particule o une onde ? Pour Newton, c'est une particule, pour Huygens, c'est une onde. Au
XIXme sicle, la thorie ondulatoire semble l'emporter. Quelles lois expliquent le changement de
direction de la lumire lorsque celle-ci passe d'un milieu transparent un autre (la rfraction) ? Descartes
montrera que ce changement de direction es t bien prvisible.
LaThermodynamique
Le mot "thermodynamique provient du grec (thermos) : la chaleur et (dunamos) :
la force. C'est la science de la chaleur. Comment crer une chelle de temprature? Aprs de nombreuses
inventions de thermomtres par Galile et d'autres phys iciens, l'chelle de temprature toujours utilise
de nos jours est bas e sur les travaux de Celsius , ou encore ceux de Kelvin. Le zro abs olu ? C'est dans
l'esprit de Guillaume Amontons qu'il est n : d'aprs lui, on ne pourrait dpass er une temprature de -
273,15 C. Comment se dplace dans l'air un gaz chaud o un gaz froid ? Sadi Carnot va nous l'expliquer
en mettant au point de meilleures machines vapeur. D'o vient l'nergie mise par un feu de bois ? Lepremier principe de la thermodynamique nous renseigne ce sujet.
L'lectromagntisme
L'lectromagntisme est une science apparue au XIXme sicle pour expliquer que les phnomnes
magntiques (l'attraction d'un aimant par exemple) et les phnomnes lectriques sont lis. Faites
tourner un aimant dans une bobine de cuivre o faites tourner une bobine de cuivre autour d'un aimant,
La Physique Quantique 4/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/402001_403000/402202.pnghttp://uploads.siteduzero.com/files/402001_403000/402201.jpg7/22/2019 La Physique Quantique
5/47
et du courant lectrique traversera la bobine. Les lois rgissant ces phnomnes sont les lois de
Maxwell. Si la lumire arrive traverser le vide, c'est car c'est une onde lectromagntique, c'est dire
une onde magntique et une onde lectrique qui voluent en parallle et s 'alimentent l'une l'autre. Le
champ lectrique entraine un champ magntique et vice versa.
L' Astrophysique Sans doute une des plus ancienne des sciences : l'tude des astres. Un grand nombre de scientifiquesgrecs, romains et arabes tudirent le ciel, Ptolme en dessina d 'ailleurs une carte, prsentant la terre
comme le centre du monde. Cette vision peu scientifique fut rectifie par Copernic au XVIme. Galile
reprit s es crits et les fit connaitre, les prcisant. Il fut contraint d'abjurer par l'inquisition. Keplerdcouvrit que la trajectoire des plantes n'est pas ronde mais elliptique (ovale). Newton par la loi de
gravitation universelle unifia physique et astrophysique. Les dcouvertes continurent, prcisant de
plus en plus les modles de notre univers. Aujourd'hui encore, l'astrophysique reste une des sciences
o l'on connait le moins de choses !
La McaniqueNewtonienne
La mcanique est galement une science du date de t rs longtemps. La mcanique trouve s es s ources
ans l'antiquit avec les dcouvertes d 'Archimde par exemple. La mcanique des "forces" (tous les
objets s ont s oumis des forces qui les font voluer dans l'espace) viendra plus tard avec Galile, puis
Newton, dont la dcouverte la plus connue est celle du principe de gravitation universelle, exprim avec
la formule : . C'est loin d'tre se seule dcouverte, la plupart
de celles-ci tant rpertories dans ses livres de Mathmatiques .
Cette liste est non exhaustive, et bien d'autres branches de la physique existent !
Divisons le monde !Une galaxie, une plante, une mer, un lphant, un arbre, un chat, une fourmi, une molcule, un atome... Les physiciens vont
devoir tudier tous ces lments, tous obissent des lois quasi identiques d'ailleurs. Mais il y a un problme. La voie lacte
mesure 100 000 annes-lumire de diamtre, soit 9 460 895 288 762 850 000 000 m. On a du mal se le reprsenter. Dans l'autre
sens , un atome mesure 0,000000000062 m. Trs dur se reprsenter galement.
C'est pourquoi au XXme sicle, les physiciens ont divis le monde en 3 niveaux :
L'univers: c'est infiniment grand, les galaxies, les plantesLe monde macroscopique: c'est tout ce qui est notre chelle : une pomme, une fourmi, un lphant
Le monde microscopique: c'est l'infiniment petit, ce qu'on ne peut pas voir lil nu : un atome, une molcule
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 5/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/402001_403000/402205.jpghttp://uploads.siteduzero.com/files/402001_403000/402204.jpghttp://uploads.siteduzero.com/files/402001_403000/402203.gif7/22/2019 La Physique Quantique
6/47
Les physiciens vont tudier ces milieux sparment, pour viter de s'emmler les pinceaux. Mais bon, en gnral, les lois
restent les mmes. les galaxies comme les arbres obiss ant aux mmes lois de gravitation. Seuls les ordres de grandeur changent.
Au XIXme sicle, les physiciens pensent avoir tout dcouvert, et le monde de la physique semble bien calme, ne vous inquitez
pas , cela ne va pas durer.
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 6/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
7/47
Robert Brown Grains de Pollen
Les AtomesEn Grce antique, Dmocrite est en vacances sur la plage, et se pose une question :
Citation : Dmocrite
Si je coupe un grain de sable en deux, je vais avoir des grains de sable plus petits, et s i je recoupe les grains en deux, j'aurais
des grains encore plus petits. Mais il doit bien avoir un moment o cela va sarrter, o je ne vais plus pouvoir couper les
grains ! Ne resterait alors que des particules indivisibles, inscables (en grec atomos)... Ces atomes seraient alors la base detoute matire et tous les objets s eraient composs d'un certain nombre d'atomes.
Mais Aristote n'est pas du tout d'accord :
Citation : Aris tote
Et pourquoi a sarrterait, c'est tout fait absurde !
Au XIXme sicle, beaucoup de physiciens sont encore sceptiques sur le sujet : Planck par exemple (un trs grand physicien,
comme nous allons le voir) n'y croit pas . Qui pourrait contredire le grand Aristote? Qui les a donc vus, ces atomes ? Existent-ils
vraiment ? Si oui, quelle est leur taille ? De quoi sont-ils composs.
Vous allez le dcouvrir !
Le Mouvement BrownienEn 1828, un botaniste cossais, Robert Brown, travaille sur le pollen, et essaye de comprendre
comment ces petites particules arrivent fconder les plantes. Il prend un petit grain de pollen (les
pollens font quelques micromtres de diamtre), et le place dans un bain d'eau, pour l'obs erver au
microscope. Avec l'un des tout premiers microscopes prcis, il observe le grain. Problme : il est
constamment en mouvement : il avance, recule, tourne sur lui-mme. Quoi de plus normal, pour un
lment fcondant?
Mais le phnomne intrigue Brown : il
recommence avec d'autres plantes, et
des graines mortes depuis des
centaines d'annes : l, pas deproblme, le mouvement n'a pas pour
cause la vie... Et pourtant, on retrouve
les mmes mouvements. Brown
recommence avec du verre, et trouve que l'on arrive avoir de tels
mouvements partout condition que les particules soient assez
broyes assez finement. C'est trs tonnant : c'est comme si vous
vous teniez debout dans la rue, et que des spas mes vous secouaient
sans relche !
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 7/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/392001_393000/392605.jpghttp://uploads.siteduzero.com/files/392001_393000/392604.jpg7/22/2019 La Physique Quantique
8/47
Albert Einstein
Le mouvement d'un grain dans un cube d'eau
Ce phnomne fut baptis par la suite mouvement brownien .
Des tentatives d'explication
Rapidement, de nombreuses explications furent proposes : attraction lectrique, courants provoqus par la lampe dumicroscope, et bien d'autres.
Mais cela ne prouvait pas une agitation aus si dsordonne !
En 1888, Lon Gouy montre exprimentalement que l'agitation des grains ne varie pas selon les influences extrieures (clairage,
champ magntique...) tant que ces dernires ne modifient pas la temprature. En effet, lorsque l'on augmente la temprature du
liquide dans lequel baignent les grains, le mouvement de ceux-ci devient plus vif.
Comment expliquer ce phnomne ?
Einstein la rescousse !
Mais en suisse, dans le bureau des brevets, un scientifique peu connu, Albert Einstein a une ide !
Il connait une thorie, la thorie cintique des gaz, selon laquelle les gaz seraient composs de
petites particules et ces particules s'agiteraient de plus en plus lorsque la temprature augmente. Un
gaz faible temprature serait constitu de particules qui s'agiteraient un peu, et si l'on augmente la
temprature, les particules vont s'agiter de plus en plus. Mais si l'on place ce gaz dans une enceinte
ferme, les particules en s'agitant vont venir frapper la paroi, avec une force proportionnelle la
temprature.
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 8/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/392001_393000/392652.jpghttp://uploads.siteduzero.com/files/392001_393000/392606.png7/22/2019 La Physique Quantique
9/47
Jean Perrin
Si ces particules s'agitent dans un gaz, pourquoi ne le feraient elle pas dans un liquide ? Alors elles
pourraient venir frapper des lments dans les liquide : les grains de pollen par exemple. Eins tein va
inventer une formule qui permet de calculer la quantit de molcules qui viennent frapper les grains en
fonction du dplacement de ceux cis. Dans un article, il appelle les scientifiques faire lexprience, et calculer ce nombre. Jean Perrin, un franais, relve le dfi et trouve le nombre de particules qui viennent
frapper le grain en une seconde.
Grce ce nombre, il peut calculer le nombre de particules dans un volume prcis d'eau: et l : miracle :
ce nombre est le mme que celui prvu par les chimistes qui croyaient l'atome : l'existence des atomes
est prouv, leur diamtre galement : environ .
Si le mouvement brownien a rvolutionn la phys ique, c'est car d'aprs les principes de la
thermodynamique, un corps ne peut bouger sans qu'il ne reoive de l'nergie sous forme de
chaleur par exemple : ici les grains de pollen bougent mais ne puissent pas de chaleur dans l'eau.
Le Noyau AtomiqueC'est gnial, les atomes existent ! Oui, mais en attendant, quoi ils ressemblent ? Personne ne les a vus ! On sait dj une chose :leur charge est neutre : lorsque vous approchez un aimant des objets, la plupart ne ragissent pas ! Mais pour certains , oui !
Modle de Thomson
l'Exprience de Thomson
Pour savoir d'o viennent les charges prsentes dans un atome, Thomson essaye une
exprience particulire :
Il prend un tube dit tube cathodique, c'est dire un tube vid de son air, avec un bout une
anode (reli au + du gnrateur) et l'autre une cathode (rli au - du gnrateur).
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 9/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/392001_393000/392653.jpghttp://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393032.png7/22/2019 La Physique Quantique
10/47
Joseph John Thomson
Dans certaines conditions, le tube vide est travers par un courant lectrique. Maintenant, plaons un aimant, champ
magntique, autour du tube :
Le courant lectrique est dvi par l'aimant. Ainsi, ce qui compos "l'lectricit" es t en fait des particules chargs -ngativement
d'ailleurs- et qui sont d'aprs Thomson dj incorpors dans la matire : ce sont les lectrons. Avec certains moyens, on peut
arracher ces lectrons la matire, et crer un courant lectrique.
le modle
Thomson, qui croyait aux atomes avant leur dcouverte, en avait fait un modle : puisqu'il y ades lments de charge ngative dans la matire (et donc les atomes), et que l'atome est neutre,
alors il doit y avoir des lments de charge positive dans les atomes pour compenser. Thomson
imagine donc un modle type "pudding aux prunes" (plum pudding en anglais). L'atome serait
une grosse boule de charge positive dans laquelle seraient incorpors des petits lectrons,
rendant l'atome de charge neutre.
Modle de Rutherford
l'Exprience de Rutherford
Mais ce gteau parait bien indigeste pour un lve de Thomson (qui ne l'aime pas d'ailleurs),
Rutherford. Celui-ci dcide de faire plein d'expriences sur l'atome. L'une d'entre elles,effectue en 1908, sera bien fructueuse.
Rutherford dcide d'aplatir une fine couche d'or, de sorte ce qu'elle n'ait que quelques atomes
dpaisseur, quasi transparente, et lgrement bleute. Il place cette feuille d'or debout,
lintrieur d'une enceinte faite d'un matriau fluorescent. Puis, il dirige vers cette feuille d'or un
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 10/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/392001_393000/392828.jpghttp://uploads.siteduzero.com/files/392001_393000/392827.pnghttp://uploads.siteduzero.com/files/392001_393000/392826.jpg7/22/2019 La Physique Quantique
11/47
Ernest Rutherford
"canon" de particules alpha ( ), pos itives de charge. Comme la feuille d'or est trs fine, la
plupart des particules la traversent de part en part, et atteignent l'enceinte fluorescente, y
laiss ant une trace. Mais certaines de ces particules , au lieu de traverser la feuille d'or,
rebondissent contre celle-ci, o sont dvies. Imaginez : des soldats tirent sur une boite en
carton et la balle leur revient !
Le noyau
Il y a un ppin, o plutt un noyau !
Pour Rutherford, la cause de cette dviation est simple : l'atome est creux ! Si les
particules traversent la feuille d'or, c'est car les atomes sont essentiellement constitus
de vide ! Sils " rebondiss ent" de temps en temps, c'est car toute la mass e de l'atome est
concentre dans un noyau de charge positive, autour duquel gravitent des lectrons
de charge ngative. Les particules alpha de charge positives sont repousses par le
noyau de mme charge, comme des aimants.
En 1913, pour connaitre la taille du noyau, Rutherford utilise le compteur particules
alpha de son lve, Geiger. Il compte le nombre de particules qui rebondissent et en dduit que le noyau une taille dem, tandis ce que l'atome un diamtre de m ! Dcidment, la matire est vraiment constitue de vide : on dit que sa
structure est lacunaire. En comparaison, si l'on considre une fourmi comme un noyau atomique, l'atome aurait la taille d'unearne !
Le modle
Pour Rutherford, telles des plantes autour d'un soleil, les lectrons tournent autour du noyau des emplacement bien
dtermins (des orbites), tous sur un mme plan (ils sont concentriques), avec un lectron par orbite. De plus, les lectrons vont
chercher tre le plus proche possible du noyau, remplissant une orbite aprs l'autre, en partant de celle la plus proche du
noyau.
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 11/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
12/47
James Chadwick
Modle de Chadwick
L'Exprience de Chadwick
Entre 1930 et 1931, des scientifques tels qu'Irne Joliot-Curie (fille de Pierre et Marie)
tudirent un phnomne trange : lorque l'on bombarde de particules alpha des corps
comme le Bryllium, des "rayons" sont produits. En 1933, Chadwick dcouvre que ces
rayons sont des particules de mme masse que le proton, mais de charge nulle : c'est le
neutron.
Le modle
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 12/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393014.jpg7/22/2019 La Physique Quantique
13/47
Chadwick dmontrera que le noyau n'est pas indivisible, car constitu de protons et de neutrons. Il y a dans un atome autant deprotons que d'lectrons, et un certain nombre de neutrons . Protons et neutrons ont la mme masse, mais le proton a une charge
pos itive et le neutron une charge neutre.
Maintenant, vous s avez ce que c'est qu'un atome, et de quoi il est compos.
Toute la mass e de l'atome (99,9 %) est concentre dans le noyau : les lectrons ne psent pratiquement rien!
Classons les lments !Vous l'avez compris, la matire est constitue d'atomes. Pourtant, sur la Terre, il y a diffrents matriaux : des mtaux comme l'or
o le fer, des gaz comme l'hlium... Les caractristiques de ces matriaux sont diffrents car les atomes dont ils sont constitus
sont diffrents : un lourd lingot d'or est const itu d'atomes d 'or. Chacun de ces atomes ont dans leur noyau 79 protons, bien plus
que les deux protons de l'hlium ! Voici pourquoi l'hlium est lger et l'or est lourd.
En 1869, un chimiste (Dimitri Mendeleev)a dcid de classer tous les composants de la matire dans un tableau, la classificationpriodique des lments:
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 13/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/414001_415000/414393.png7/22/2019 La Physique Quantique
14/47
Mais pourquoi "lments" , et pas "atomes" ?
Dans un atome d'or, il y a 79 protons, mais le nombre de neutrons peut varier : il existe diffrentes variantes de l'atome d'or,
suivant le nombre de neutrons qu'il contient. Chaque variante sappelle un isotope. On appelle lment chimiquetous les atomes
qui incorporent le mme nombre de protons :
Pour se reprer dans les diffrents isotopes, il existe une notation particulire pour les atomes :
Pour trouver le nombre de neutrons, il suffit de faire la diffrence .
Einstein vient de dcouvrir l'atome, mais il narrte pas de penser : il a dj plein d'ides en tte ! Voyons ce qu'il nous prpare...
En conclusion :
Le noyau atomique es t cons titu de A nuclons et de Z protons
Un atome mesure m, un noyau atomique m
Une petite citation pour terminer :
Citation : Aris tote
Le commencement de toutes les sciences, c'est l'tonnement de ce que les choses s ont ce qu 'elles sont
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 14/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
15/47
La Lumire...Si vous voyez les objets, c'est grce la lumire ! Mais c'est quoi, la lumire ? Les physiciens se sont battus sur ce sujet durant
des s icles, avec des rsultats pass ionants.
Mais, je ne vous en dis pas plus, et vous laisse dcouvrir...
La Lumire, une OndeAvant de commencer, prcisons dj ce que sont les particules et les ondes :
Particules et Ondes
Une particule, c'est un morceau de matire : un atome est une particule; Vous pouvez dlimiter une particule dans l'espace. Les
ondes , elles ne le sont pas : imaginez un trs trs grand tang, et lancez une pierre dedans : des vagues vont s e former et
d'loigner du point o vous avez lanc le caillou, et celles ci vont perdre en amplitude. Mais elles ne disparaitront pas avant
longtemps : elles vont devenir de plus en plus petites, mais tant qu'elles n'atteignent pas un bord, ne disparatront pas ...
Une onde es t une t ransmiss ion d'nergie sans transmiss ion de matire. Prenons un exemple :
Citation : Petite his toire
Il tait une fois, tout prs de chez vous, un petit tang calme, qui se reposait tranquillement. Tout coup, un enfant jette unepierre dedans, troublant ainsi son s ommeil . Les gouttes d'eau de l'tang, mcontentes , utilisent l'nergie mcanique (de
mouvement) de la pierre pour bouger de haut en bas et montrer leur mcontentement, mais pas de gauche droite. Quand
elles ont montr leur mcontentement, elles transmettent leur nergie aux molcules d'eau voisines, pour quelles aussi
bougent et montrent leur colre. l'enfant observe alors des petites vaguelettes s e former sur la surface de l'tang
Il y a transmiss ion d'nergie, mais pas de matire, car les molcules d'eau ne se dplacent pas de gauche droite. C'est cela une
onde, une transmission d'nergie sans dplacement de matire
Tout onde es t caractrise par une priode spatiale, dite longueur d'onde, ainsi qu'une frquence. La longueur d'onde se notelambda ( ) : c'est la distance qu'il y a entre deux "crtes". La frquence, c'est le nombre de crtes dans une seconde et se note de
la lettre grecque nu ( ). Pour la lumire, on a .
La lumire, onde ou corpuscule ?
Un des premiers phys iciens faire de nombreux travaux sur la lumire est Isaac Newton. En effet, en dpit de ses nombreusescontributions en mcanique, il a galement beaucoup tudi les diffrents phnomnes lumineux. Il crira d'ailleurs un livre sur le
sujet : Opticks. Dans ce livre, il explique ses diffrentes expriences, la plus connue tant celle des prismes : avec des prismes,
qui montre que l'on peut dcomposer la lumire blanche en plusieurs couleurs. Dans un premier temps, on en comptera 8, puis on
dcouvrira qu'il en existe une infinit regroupes dans un faisceau de lumire blanche. Pour Newton, s i la lumire blanche es t
ainsi dcompose, c'est car la lumire es t constitue d'un certain nombre de particules, que le prisme parpille.
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 15/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
16/47
Pour la communaut scientifique de l'poque, Newton a raison : la lumire es t constitue de particules. Pourtant, ce n'est pas le
point de vue d 'un aut re phys icien : Christian Huygens: pour lui, la lumire est une onde. Mais la renomme de Newton est sigrande que la thorie corpusculaire de la lumire finira par s'imposer. Mais tout ceci ma changer au XIXme sicle : un physicien
nomm Young va faire une exprience qui prouve que la lumire est bel et bien une onde.
La diffraction de la lumire
La bote de nuit
Si vous tes dj pass s ct d'une boite de nuit, vous connaiss ez surement le phnomne : lorsque vous vous tenez cte de
celle-ci, vous n'entendez pas une charmante mlodie mais uniquement des basses . Ce phnomne s appelle la diffraction. Le sonest une onde, dont la longueur d'onde est particulirement leve, et d'autant plus leve pour les sons graves; maintenant,
voyons voir ce qui se pass e l'intrieur de la boite de nuit. Des haut-parleurs vont emmtre des ondes sonores (la musique)
dans toutes les directions:
Les fronts d'onde
Vous l'avez vu, dans une onde, il y a des "hauts" et des "bas" :
Lorsque l'onde se propage, les points "hauts " se dplacent, comme l'on peut voir lorsque l'on agite une corde :
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 16/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
17/47
Ce qui fait que lorsque l'on note toutes les "points hauts" de l'onde en fonction du temps, on obtient des fronts d'onde, aussi
espacs les uns des autres (de la longueur d'onde plus prcisment) -on modlise ici les fronts s 'onde sous forme de droites, par
simplicit, les fronts d'onde formant des arcs de cercle dans la ralit-:
La diffraction
Revenons notre boite de nuit, et sparons les notes graves des notes aigus (les proportions ne sont pas du tout respectes):
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 17/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
18/47
Sons graves (grande longueur d'onde) Sons aigus (petite longueur d'onde)
C'est l qu'intervient le phnomne de diffraction : les sons aigus ont une longueur d'onde tellement faible (mais qui reste leve
pour une onde - tout est relatif) qu'en passant la porte, elles ne saperoivent mme pas du changement et continuent leur
chemin, bien paisiblement. Par contre, les s ons graves ont une longueur d'onde plus leve, de l'ordre de grandeur de la porte,
s'aperoivent qu'ils passent d'un obs tacle, et pour voir ce qu'il y a dehors , partent en toutes directions .
Plus rigoureus ement, lorsqu'une onde es t expose une fente de largeur de mme ordre de grandeur que l'onde, ce phnomne
de diffraction se produit
Sons graves (grande longueur d'onde) Sons aigus (petite longueur d'onde)
Ce qui explique pourquoi un observateur en face de la porte entend toute la musique et un obs ervateur un peu plus loin n'entend
que les basses :
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 18/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
19/47
L'exprience de Young
Lorsque deux ondes s e rejoignent, elles interfrent, et leurs intens its s 'additionnent ou se soustraient. Deux ondes en position
"haute" s'additionnent, pour n'en former qu'un, et deux ondes en positions contraires s'annulent.
Si l'on fait voluer deux ondes cte cte, avec leur front d'onde et leur positions "hautes" et "basses", on observe des
interfrences et s i l'on capte le rsultat au bout d 'une certaine distance, on obs erve le phnomne suivant:
De haut :
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 19/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
20/47
Thomas Young
De face :
En blanc, les zones de haute intesit
En 1801, Thomas Young, un anglais, dcide de trancher entre les thories ondulatoires et
corpusculaires. Il fabrique un cran avec deux fentes trs fines, que l'paiss eur de la longueur d'ondede la lumire, et le place dans le montage suivant. Si la lumire est une onde, il y aura diffraction et
donc interfrences, et si la lumire es t une particule, il apparaitra sur l'cran deux fines bandes .
l'heure de vrit approche : la lumire est-elle une particule o une onde ?
Montage
Si la lumire est une particule
Si la lumire es t une onde
Et le rsultat es t... la lumire es t une onde ! On aperoit un phnomne dinterfrences. L, c'est irrfutable, Newton avait tort, et
Huygens avait raison...
La lumire, une onde particulire
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 20/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393336.pnghttp://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393331.pnghttp://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393330.pnghttp://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393338.jpghttp://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393325.jpghttp://uploads.siteduzero.com/files/413001_414000/413553.jpg7/22/2019 La Physique Quantique
21/47
Gustav Kirchoff
Les lumire est donc une onde particulire : c'est une onde lectromagntique. Si l'on voit des couleurs, c'est car les objetsmettent directement ou indirectement des radiations lumineuses : lil voit des couleurs d iffrente en fonction de la longueur
d'onde de celles-ci.
Pour qu'un objet mette de la lumire, on peut le chauffer : il deviendra alors rouge, orange, jaune, blanc puis bleu. C'est le cas
des lampes incandescence ou du s oleil qui mettent directement de la lumire.
Mais d 'autres objets tels qu'une pomme nmettent pas directement de la lumire : ils rflchissent une partie de la lumire quiprovient de sources directes de lumire. La pomme (rouge) va tre claire par la lumire blanche du soleil, et va abs orber toutes
les radiations lumineuses sauf le rouge, renvoy par la pomme et qui arrive nos yeux.
De plus, et heureusement pour nous, nous ne voyons qu'un petit panel des ondes lectromagntiques, plus prcisment celles
entre 400 et 700 nm (nanomtres - un nanomtre quivaut m). C'est la lumire visible. Lorsque vous effectuez une radiopar exemple, vous ne voyez pas les rayons X mis autour de vous . Vous ne voyez pas d'ondes arriver dans votre tlphone
portable non plus , et heureusement.
Le Corps NoirLorsque l'on chauffe un corps, celui-ci met parfois de la lumire : c'est la cas des ampoules incandescence. Vous avez sansdoute dj obs erv une bougie. Lors de cette observation, vous avez remarqu que le bas de la flamme tait bleue, alors que le
haut de celle-ci tait jaune-orang. On sait depuis longtemps pourquoi : la temprature de la flamme est plus leve en bas qu'en
haut. On peut d'ailleurs savoir la temprature d'un four en fonction de la couleur des braises dans celui-ci : une mthode bien
connue des verriers. Mais pourquoi un corps chaud met une couleur diffrente selon sa temprature ?
La temprature d'une flamme
Cette question, quelqu'un se l'est pose et a dcid d'y trouver une rponse. Cette personne tait un
prussien (la Prusse est l'actuelle Allemagne) nomm Gustav Kirchhoff. Pendant un so ir d'hiver, celuise reposait devant sa chemine. En effet, l'poque, en 1859 plus exactement, le seul moyen de
chauffage tait le bois. Comme les physiciens ne peuvent tenir sans se poser des problmes, Kirchoff
s'est demand pourquoi la couleur des braises voluait selon leur temprature.
Celui-ci dcide donc d'tudier ce phnomne li la chaleur. Pour tudier un phnomne, il faut au
pralable l'isoler. Dans notre cas, pour tudier les longueurs d'ondes mises par un corps chaud, il
faut que notre capteur de prlve que les longueurs d'onde mises par le corps, et non celles d'autresmetteurs de radiations lectromagntiques, celles du soleil par exemple.
Notion de Corps noir
Pour cela, Kirchoff imagine en 1862 un matriau (ou lutt un grou e de matriaux ayant les mmes ro rits) a el cor s
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 21/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/390001_391000/390596.png7/22/2019 La Physique Quantique
22/47
noir. C'est un matriau idal qui absorberait toute forme de radiation lumineuse. Expliquons :Lorsque de la lumire arrive sur un corps, plusieurs choses peuvent se passer :
Soit la lumire est rflchiepar le corpsSoit la lumire est transmisepar le corps, elle passe traversSoit la lumire est absorbepar le corps, elle est trans forme, souvent en chaleur
Rflexion Transmission Absorption
Le corps noir absorbe toutes les radiations lumineuses , donc froid, il apparait noir (d'o son nom). Logique car il n'met ou ne
rflchit ni ne transmet de la lumire. La seule manire de changer la couleur de ce corps noir est de le faire chauffer pour qu'il
mettre de la lumire directement. Si on mesure les radiations mises par le corps noir, on peut tre sr que le rsu ltat n'aura pas
d'impurets lies la lumire soleil par exemple.
Exprience de KirchoffKirchoff dcide de crer d'utiliser comme corps noir l'intrieur d'un four dont les parois s eraient compltement opaques.
Kirchoff a fait chauffer l'intrieur de toute une srie de fours, mais chaque fois, il a trouv les mmes rsultats : quel que s oit le
corps noir employ, pour une mme temprature, on retrouve les mmes couleurs. Kirchoff s 'est dit que ces similitudes devaient
avoir un lien avec la forme du four, alors il effectua les mmes expriences avec des fours de forme diffrente. L encore, pas de
changement : la couleur d'un corps chaud est identique pour une mme temprature, quelque soit la nature du corps o la
manire dont il a t chauff.
Voici les rsultats qu'a obtenus Kirchoff :
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 22/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/390001_391000/390734.pnghttp://uploads.siteduzero.com/files/390001_391000/390735.pnghttp://uploads.siteduzero.com/files/390001_391000/390736.png7/22/2019 La Physique Quantique
23/47
K est la notation des Kelvins. Le Kelvin est une unit de mesure de la temprature, comme les degrs Celsius (C) ou
Fahrenheit (F). L'chelle de temprature Kelvin es t base sur l'chelle Celsius sauf que le 0 ne correspond pas la
temprature de solidification de l'eau mais aux zro absolu : -273,15 C.
Ainsi on a :
est la temprature en kelvins (K)
est la temprature en degrs Celsius (C)
La Catastrophe UltravioletteLoi de Rayleigh-Jeans
Le problme, c'est que d'aprs les lois de la physique classique et la Loi de Rayleigh-Jeans , l'nergie lumineuse mise par un
corps chauff T Kelvins est dfinie par .
est la vitesse de la lumire, gale environ (Mtres par secondes )
est la cons tante de Boltzmann gale environ (Joules par kelvin)
es t toujours la temprature en Kelvins (K)
est la longueur d'onde en nanomtre (nm)
est la luminescence nergtique par longueur d'onde, c'est dire la quantit d'nergie rayonne dans une direction
prcise, et ce pour une longueur d'onde prcise. Elle est note en (Watts par mtre cube et par
stradian).
Le stradian est une unit de mesure peu connue qui sert mesurer les angles solides .
Imaginez que l'on dcoupe dans une sphre une sorte de cne (a base non plate). Ce"cne" est un angle solide, dont la mesure note et note en stradians ( ) se
calcule par la relation avec A l'aire de la "base" de la base du cne en mtres carr
et r le rayon de la sphre en mtres.
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 23/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
24/47
Cette loi de Rayleigh-Jeans nous dit que quand la longueur d'onde est trs basse, alors E est
trs lev, comme le montre la reprsentation graphique de la fonction.
Mais a ne colle pas avec les observations de Kirchoff : la loi de Rayleigh-Jeans nous dit que plus la longueur d'onde du
rayonnement augmente, plus sa luminescence nergtique par longueur d'onde augmente rapidement. Lorsque l'on s e rapproche
des longueurs d'onde des ultraviolets (infrieures 400 nm), l'nergie mise est cens e tre phnomnale. Mais la ralit est tout
autre.
Je vous rappelle quen plus de provoquer le bronzage, les ultraviolets s ont la principale cause des cancers de la peau. Pourtant,
chaque fois que vous faites cuire un gteau, mme si celui-ci est 400 K et met des UV, vous ne mourez pas instantanment de
brlures . Heureusement.
Non, dcidment, il y a un problme. On nommera ce problme la catas trophe ultraviolette. D'ailleurs, lorsque Lord Kelvin dira :
Citation : Lord Kelvin
Il reste deux petits nuages dans le ciel serein de la Physique thorique.
L'un des nuages , c'est le rayonnement du corps noir.
La loi de Wien
Pour rsoudre le problme, Wilhelm Wien, un Allemand effectue des expriences, et fini par trouver une formule, sans vraiment
avoir d'explications.
Cette formule, la voici :
.
avec :
(constante calcule empiriquement sans lien avec aucune autre cons tante)
ce n'est pas la vitesse de la lumire ! (constante calcule empiriquement sans lien avec aucune
autre constante)
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 24/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/390001_391000/390755.png7/22/2019 La Physique Quantique
25/47
Mais cette loi pose problme dans la mesure o ses cons tantes sont calcule d'une manire compltement empirique : dans toute
loi en Physique, on essaye de se rapprocher de constantes telles que la vitesse de la lumire ou encore la constante dAvogadro
(trs utile en chimie).
En plus, cette loi diffre de la ralit exprimentale pour les rayonnements bas se frquence :
Dcidment, il y a un problme, que personne n'arrive rsoudre pour le moment...
Ainsi, il y a un problme... Comment le rsoudre ? Einstein va encore un fois se montrer utile...
En conclusion :
La lumire est considre comme une onde
Au dbut du XXme sicle, une grande nigme pos e problme aux phys iciens : c'est le corps noir et la catas trophe
ultraviolette
Une petite citation encore :
Citation : Albert Einstein
Ce qui est incomprhens ible, c'est que le monde soit comprhens ible.
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 25/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
26/47
Max Planck
La Quantification de l'EnergieDcidment, le corps noir pose problme... Comment rsoudre cette nigme ?
Un Quantum, des Quanta
Un grand physicien allemand, Max Planck, dcide de rsoudre le problme. Il est professeur
d'universit renomm, et est spcialiste en thermodynamique. Pour lui, il suffit de modifierlgrement la loi de Wien et le tour serait jou !
Pendant six mois, il va travailler sans trouver de solution, jusqu ce qu'il trouve par hasard,
empiriquement (c'est dire sans dmonstration, se basant uniquement sur des rsultats
exprimentaux) la formule s uivante (la loi de Planck) :
est la luminescence nergtique par longueur d'onde en (Watts par mtre cube et par stradian).
est la vitesse du rayonnement lectromagntique dans le milieu o se propage le rayonnement en
est la longueur d'onde en nanomtres (nm)
est la cons tante de Boltzmann gale environ (Joules par kelvin)
est la temprature en kelvins (K)
est la fonction mathmatique exponentielle, dfinie par : avec
est une constante
Quantas
Ouf ! Dur n'est-ce pas. Mais la difficult la plus grande est pour Planck. Pour chafauder cette loi, et pour ne se servir d'unmaximum de constantes naturelles, il a du insrer une constante "artificielle" : h. Mais pour calculer h, il a d diviser en
toutes petites parties, jusqu' ce que le calcul bloque une valeur, trs petite : .
La formule est bonne, et pourtant, une formule quivalente est celle-ci :
avec un entier, une cons tante invente par Planck, et la frquence du rayonnement lectromagntique.
Planck avait appel sa constante h comme hilfe en allemand : il avait en effet besoin d'aide. Aujourd'hui, on appelle h
plus "constante de Planck".
Globalement, cela veut dire que la matire chaude, voulant rejeter de l'nergie, va la rejeter sous forme de petits "paquets",
indivisibles, sous forme de lumire : ces petits paquets sappellent les quanta.
Le problme, c'est que les lois fondatrices de la thermodynamique disent qu'un corps ne peut mettre de la lumire seulement
d'une manire continue : cette dcouverte remet la thermodynamique en cause ! A l'poque, c'est trs grave. Planck lui-mme ne
croira pas sa thorie et dira mme que c'est "un artifice mathmatique". Il mettra des annes s 'en remettre...
Explication physique de la loi de Planck
Laissons Planck son dsarroi et essayons de rsoudre notre problme initial : en quoi cette formule permet-elle de prouver cescourbes pour le rayonnement du corps noir ?
L'nergie e d'un quantum est gale , c'est dire que plus la longueur d'onde est faible, plus est lev et plus e est lev.
Lorsque la matire emmagasine de l'nergie sous forme de chaleur, et le rejette sous forme de lumire, elle ne peut que le rejeter
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 26/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/392001_393000/392542.jpg7/22/2019 La Physique Quantique
27/47
Heinrich Hertz Philipp Lenard
que sous forme de quanta. Avant de produire un rayon lumineux, la matire "remplit" un quanta, et lorsque celui-ci est rempli,
une particule est rejete. Mais pour remplir un quantum de lumire ultraviolette, il faut beaucoup plus d'nergie que pour un
quantum infrarouge (3 fois plus). Plus on augmente la temprature du corps, plus il emmagasine d'nergie et plus la quantit de
quanta "violets" rejets est leve. Mais la matire ne peut pas rejeter de quantas trop gros. un moment, mme si elle a
beaucoup d'nergie, la matire ne rejette qu 'un petit nombre de quanta ultraviolets .
Nous pourrions faire une analogie avec un boxeur. Cet athlte de haut rang a besoin pour taper sur les gens d'nergie, que des
vitamines lui procurent. Sans vitamines, pas de trs bons rsultats : il ne tape pas fort. Mais si vous lui donnez des kilos devitamines, il ne va pas taper trop fort non p lus : il y a des limites !
Le Phnomne PhotolectriqueLorsqu'il apprend les travaux de Planck, Einstein se dit "et si la thorie corpusculaire tait finalement vraie" ?
Et si les quanta du rayonnement du corps noir taient des particules ?
C'est ce qu'on pourrait croire ! Einstein va alors se pencher sur la
question et va tudier un phnomne appel l'effet photolectrique.
En 1888, Heinrich Hertz, en travaillant sur la tlgraphie, saperoit
par hasard que lorsque l'on dirige de la lumire s ur un mtal, celui-ci
produit de l'lectricit. Ce principe est toujours utilis aujourdhui
dans les panneaux photovoltaques. Un autre scientifique appel
Philipp Lenard dcide de mesurer la quantit d'nergie produite en
fonction de la longueur d'onde, ou de la frquence de la lumire que
reoit le mtal.
les rsultats sont les suivants :
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 27/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393362.jpghttp://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393361.jpg7/22/2019 La Physique Quantique
28/47
Lorsque la frquence du rayonnement lectromagntique est trop faible, rien ne se passe, quel que soit l'intensit de la lumire :
la quantit d'nergie libre dpend uniquement de la frquence et pas de l'intens it.
Einstein dcouvrira pourquoi : il y a dans le mtal des lectrons. Ces lectrons peuvent tre arrache au mtal lorsque l'on lui
trans met une nergie suprieure celle qui le lie au mtal, que l'on appellera et qui varie en fonction du mtal et en fonction
de la profondeur o s e s itue l'lectron dans le mtal. Imaginez qu'une lampe envoie une srie de quanta s ur le mtal : il y aura des
quanta peu nergtiques (rouges ) et des quanta nergtiques (bleus), comme l'nergie d'un quanta est gale :
Comme les quanta nergtiques ont un suprieur , alors ils vont russir arracher l'lectron au mtal, contrairement au
quanta peu nergtiques... C'est comme si vous essayez de bouger une boule de ptanque avec une balle de ping-pong. Par
contre, avec une balle de bowling, a marche trs bien !
Ces quantas peuvent donc transmettre de l'nergie... Mais le problme, c'est que cette proprit de transmission d'nergie est
rserve aux particules. La lumire est une particule, qu'Einstein appelle quantum de lumire, et que le chimiste amricain Gilbert
Lewis rebaptisera photon (de , - phos, photos qui signifie rayon de lumire)!
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 28/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
29/47
La Dualit Onde-Particule
La lumire est une onde, et une onde est une transmission d'nergie sans transmission de
matire : comment peut-elle tre une particule?
Personne ne croira Einstein, mme Planck dira :
Citation : Max Planck
Il ne faut pas trop lui tenir rigueur de ce que, dans ses spculations, il ait
occasionnellement pu dpasser sa cible, comme par exemple avec son hypothse des
quanta de lumire.
Pourtant, le raisonnement est bon : la lumire est la fois une particule et une onde, ou aucun
des deux. Une mtaphore couramment employe est celle du cylindre : si l'on claire un cylindre de face et de ct, les ombres
obtenues seront celles d'un rectangle et d'un cercle. Le cylindre n'est ni un rectangle ni un cercle, ainsi quelque chose de plus
complexe... Comme le photon. La particule et l'onde sont une manire de voir le photon. Il n'en n'est pas un(e) pour autant. Ce
paradoxe sappelle la dualit onde-particule.
Naissance de la Physique QuantiquePlanck va finalement digrer sa dcouverte...
Malgr lui, il vient de bouleverser la physique. Il apparait que l'infiniment petit n'a pas les mmes lois que le monde
macroscopique. Au fur et mesure du temps, comme nous allons le voir, l'infiniment petit savrera bien trange. Si bien qu'au
milieu du XXme s icle, les s cientifiques dcident de diviser la science en deux branches :
La Physique Classique : ce sont toutes les dcouvertes faites avant la fin du XIXme sicle, et ne traitant pas del'infiniment petit, mais s 'appliquant trs bien au niveau macroscopique et l'univers. Ses thories emblmatiques sont la
mcanique newtonienne et la thorie de gravitation universelle, les diffrentes lois de la thermodynamique et les
diffrente lois de Maxwell sur l'lectromagntisme.
La Physique Quantique (ce nom vient bien videmment de l'vnement fondateur de cette nouvelle branche, ladcouverte des quantas): Ce sont les lois p lus modernes, s'appliquant l'infiniment petit.
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 29/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/414001_415000/414660.jpg7/22/2019 La Physique Quantique
30/47
En conclusion :
L'nergie mise par un corps est mise de manire quantifie, c'est dire d'une faon discontinue.
L'nergie d'un quantum (singulier de quanta) est gale .
La cons tante de Planck est gale : .
L'mission de lumire est un phnomne quantifi.
Le quantum de lumire s'appelle le photon.Le photon n'est ni une particule, ni une onde : C'est la dualit onde-particule.
Pour vos rflexions :
Citation : Victor Hugo
La science cherche le mouvement perptuel. Elle l'a trouv : c'est elle-mme.
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 30/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
31/47
Joseph Von Fraunhoffer
Le Modle de BohrSi l'on chauffe un gaz, celui-ci peut emmtre des lumires de diffrentes couleurs. Par exemple, si l'on chauffe des vapeurs de
sodium, ces vapeurs vont emmtre une lumire jaune. Pourquoi ?
Pour rpondre cette question, il faut se repencher sur l'atome. Alors sans attendre, alors voir ce que le monde microscopique
nous rserve comme surprises !
Le Modle lectronique de BohrPour produire de la lumire, la solution la plus simple est de chauffer un corps : le soleil par exemple. Le corps, avec cette nergie,
va pouvoir remplir des quanta de plus en plus nergtiques et va diffuser de plus en plus de lumire bleue : c'est pourquoi les
toiles "froides" apparaissent rouges, les chaudes bleues et le soleil de temprature "moyenne" blanc. Dans les toiles chaudes,
de la lumire rouge est toujours mise, mais beaucoup moins que de lumire bleue, comme on a pu voir dans le cas du corps noir.
Il faut dire que beaucoup d 'toiles peuvent tre considres comme des corps noirs.
Spectres
Mais lorsque l'on chauffe certain gaz, on obtient des rsultats tonnants, une lumire verte
par exemple. Pour tudier ces comportements , Joseph Von Fraunhoffer cons truisit en 1814 le
premier spectroscope, un microscope associ un prisme qui permettait de voir quelles
longueurs d'onde taient mises par un gaz. On appelle en effectif spectre le graphique quirpertorie les diffrentes longueurs d'onde dans une lumire par exemple. Pour des objets
chauds tels que le soleil ou des ampoules incandescence, il observait des spectres continus,
comme toutes les longueurs d'onde tait mises.
Raies Spectrales
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 31/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393903.jpghttp://uploads.siteduzero.com/files/390001_391000/390755.pnghttp://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393471.jpg7/22/2019 La Physique Quantique
32/47
Mais lorsqu'il regardait travers le spectroscope ces gaz, il vit non pas un spectre continu, amis un spectre discontinu, comme
on peut le voir sur ces schmas :
Source : Universit RWTH de Aachen
Mais en plus de ce phnomne bizarre, il dcouvrit que chaque gaz avait toujours les mmes raies , constituant en quelque sorteun code-barres, et il y avait un code barre diffrent pour chaque gaz.
Raies de lhydrogne
Certains scientifiques dcidrent de chercher pourquoi on trouvait ces raies
caractrist iques: Anders Jonas Angst rm se pencha en 1862 plus particulirement s ur
le spectre de l'hydrogne, le plus simple, car n'ayant que quatre raies. Avec des
mesures, il trouva la longueur d'onde de chacune des raies :
Raie 1 : 656,3 nm
Raie 2 : 486,1 nm
Raie 3 : 434,0 nm
Raie 4 : 410,1 nm
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 32/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393904.jpg7/22/2019 La Physique Quantique
33/47
Anders Jonas Angstrm
Johann Balmer
Pour simplifier les calculs, on peut se servir des frquences de l'onde, que l'on calcule
par la formule :
Avec je vous le rappelle :
la vitesse de la lumire en
la longueur d'onde en m
la frquence
Donc si on calcule la frquence des raies du spectre de l'hydrogne, on trouve :
Raie 1 : 45,717
Raie 2 : 61,719Raie 3 : 69,122
Raie 4 : 73,149
Les frquences sont exprimes en petahertz ( Hz)
Formule de Balmer
Si Angstrm ne trouva pas la raison pour laquelle les gaz nmettaient que certaines longueur
d'onde, il en mesura avec grande prcision le frquences. Ces mesurent aidrent Johann Balmer
assembler la premire pice du puzzle : avec un travail minutieux, purement empirique, c'est dire
bas sur l'exprimentation, il trouva la formule suivante :
Avec :
la longueur d'onde en m
la constante de Rydberg pour l'hydrogne
est le numro de la raie. Ains i, avec , vous aurez la longueur d'onde de la premire raie. prendra comme
valeurs 1, puis 2,3, 4, etc.
Vous pouvez vrifier, cette formule permet de trouer les longueurs d'onde des raies du spectre de l'hydrogne trs prcisment.
D'o viennent ces raies ?
Il y a donc un nombre prcis de raies pour un lment. Pour Niels Bohr, ce rsultat provient de llment lui mme. Lorsque nous
avons parl de l'atome, nous avions dit que les lectrons "tournaient" autour du noyau. Mais il y a un problme : un lectron en
orbite circulaire ou elliptique est un lectron qui subit une acclration. Or, d'aprs les lois sur llectromagntisme de Maxwell,
tout ce qui a une charge et est acclr met un rayonnement lectromagntique (lumire). Ce principe es t ut ilis dans les lectro-
aimants : on fait tourner autour une bobine un aimant, et un courant traverse la bobine. Mais ce rayonnement devrait prendre de
l'nergie llectron, qui va alors ralentir, se rapprocher du noyau. Au final, llectron est cens non seulement mettre de la
lumire, mais il est aussi cens s 'craser s ur le noyau. la matire perdrait tout s on as pect. Nous sommes l pourtant !
Bohr, en collaborant avec Rutherford, met le pos tulat suivant, sans l'avoir nanmoins dmontr :
La hysi ue des articules est diffrente de la hysi ue au niveau macrosco i ue : il faut trouver des lois diffrentes
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 33/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393905.jpeg7/22/2019 La Physique Quantique
34/47
pour la phys ique quantique.
Les lectrons ne peuvent se situer que sur des orbites bien dfinies, et chaque de ces orbites est associe une
quantit d'nergie que possdent les lectrons : les orbites sont quantifies.
Les lectron nmettent pas de rayonnement lectromagntique malgr leur charge ngative.
Les lectrons ne peuvent acqurir ou perdre de l'nergie en changeant d 'orbite.
Le moment cintique lie une orbite est gale avec n le numro dorbite (1, 2, 3...)
Moment Cintique
Le moment cintique est la force par laquelle un objet tourne. Pour faire tourner une toupie par exemple, on doit l'imprgner d'une
nergie, d'un moment cintique, qui s'puise au fur et mesure du temps. Cette force est d'autant p lus importante que l'objet est
lourd (une bonne toupie doit tre lgre), que l'objet est volumineux et l'importance de cette force es t proportionnelle la vitesse
de rotation de l'objet : une toupie reste "debout" plus longtemps lorsque vous la faites tourner vite.
le moment cintique
la mass e
le rayon de l'objetsa vitesse de rotation
peut se simplifier par le nombre , la constante de Dirac ou cons tante de Planck rduite.
Orbites
Chacune de ces orbites potentielle se voit attribuer un nom : , , etc. En cons idrant comme l'orbite la plus stable (dite
fondamentale), l'unique moyen pour un lectron pour passer d'une orbite stable une orbite de niveau suprieure (donc instable)
est de recevoir sous la forme d'un photon l'nergie ncessaire pour que celui-ci passe un niveau d'nergie suprieur, soit (
). D'aprs la loi de Planck, ce photon aura pour nergie . Ce phnomne sappelle labsorption.
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 34/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
35/47
Mais comme nous l'avons dit, un lectron qui est comme a, loin du noyau, et qui a pourtant une place plus prs du noyau (on
dit de l'lectron qu'il est excit) est instable. Il va donc chercher reprendre sa place prs du noyau. Pour cela il doit perdre de
l'nergie, de la mme manire qu'il en a reue. L'atome va alors emmtre un photon dans une direction alatoire de frquence
. C'est l'miss ion spontane.
Mais en quoi cela explique-t-il les raies des spectres lumineux ?
C'est que en fait, il n'y a pas 2 niveaux dexcitation, mais bien plus. Ce qui fait que les frquences mises par mission spontane
sont bien plus nombreuses que deux. Pour l'hydrogne et dans le spectre du visible, il y en a 4, mais il y en a bien plus dans
l'infrarouge et l'ultraviolet...
C'est car les orbites sont quantifies, je vous le rappelle, que le nombre des raies es t fini dans un s pectre.
Les Nombres QuantiquesSi le modle de Bohr tait trs beau, et montrait un lien parfait entre l'infiniment grand et l'infiniment petit, bien vite, on saperut
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 35/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393897.pnghttp://uploads.siteduzero.com/files/393001_394000/393898.png7/22/2019 La Physique Quantique
36/47
Arnold Sommerfeld
qu'il ne collait pas aux ralits exprimentales.
Au fur et mesure du temps, le modle se prcisa, et l'on dcouvrit comment les lectrons se pos itionnaient vraiment autour du
noyau.
Le premier nombre quantique :
Tout d'abord, il faut dire que l'intuition de Bohr tait bonne: les lectrons se placent bien sur les orbites, que l'on numrote 1, 2, 3,
4, etc. On peut galement les noter K, L, M, N, etc.
Les orbites quantiques
Le second nombre quantique :
En 1915, le phys icien allemand Arnold Sommerfeld dcouvre que dans chaque couche
lectronique, il y a un certain nombre de sous couches lectroniques .
Il y a sur une couche lectronique n sous couches lectroniques. En effet, une sous couche est
dfinie par un nombre, (un entier), avec .
Par exemple, pour , il y a dans la couche lectronique L deux sous couches , avec et
.
Ces deux sous couches ont un nom :
s (de s harp) pour l = 0
p (de principal) pour l = 1
d (de d iffuse) pour l = 2
f (de fundamental) pour l = 3
Des sous couches ...
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 36/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
37/47
Wolfgang Pauli
Le troisime nombre quantique :
Bohr avait mis l'hypothse que les orbitales atomiques taient concentriques : il n'en est rien : Sommerfeld dmontrera qu'elles
peuvent sorienter dans l'espace. Dans chaque sous couche lectronique, il existe faons pour l'orbitale de se
pos itionner, selon un nombre avec
Les s ous couches s 'orientent dans l'espace
Le quatrime nombre quantique : le nombre de spin
Pour couronner le tout, l'lectron, en plus de pouvoir occuper tous ces emplacements, tourne sur
lui-mme, soit sans un sens, soit dans l'autre. On dfinit cette rotation avec le nombre de spindfini en 1923 par Wolfgang Pauli. C'est en ralit le moment cintique de l'lectron. Il peut avoir
deux valeurs : ou .
Le principe d'exclusion de Pauli
C'est alors que Pauli se demanda pourquoi tous les lectrons ne se rfugiaient pas sans la couche lectronique la plus basse,
c'est pourtant celle avec le niveau d'nergie le plus bas !
C'est alors qu'il mit le principe suivant :
Dans un atome, deux lectrons ne peuvent avoir le mme tat quantique, c'est dire les mmes nombres quantiques, par
exemple et .
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 37/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/399001_400000/399166.jpghttp://uploads.siteduzero.com/files/413001_414000/413355.jpg7/22/2019 La Physique Quantique
38/47
En connaiss ant tout cela, on peut connaitre le nombre maximum d'lectrons dans une couche lectronique : calculons ce nombre
!
Le nombre d'lectrons dans une couche lectronique
Considrons les quatre nombres quantiques :
est le numro de couche lectronique, et on a un entier naturel non nul.
est le numro de la sous couche lectronique, avec entier naturel et .
, l'orientation de la couche avec m entier relatif et .
le nombre de sp in, peut prendre deux valeurs : et
D'aprs le principe d'exclusion de Pauli, dans un atome, deux lectrons ne peuvent avoir le mme tat quantique. Calculons le
nombre de combinaisons de nombres quantiques pour un dfini. Ce sera le nombre maximal d'lectrons que peut contenir cette
couche.
Pour un dfini, le nombre de valeurs de pos sibles est gal , car .
Pour un et un dfini, calculons le nombre d'tats quantiques diffrents, soit le nombres de combinaisons de et de .
Notons ce nombre .
Pour = 0, ne peut prendre qu'une valeur, 0.
Pour = , peut prendre trois valeurs : -1, 0 et 1.
Pour = , peut prendre valeurs.
Pour un dfini, le nombre de combinaisons de et diffrentes est la somme de toutes les pos sibilits de valeurs de pour
un dfini, so it .
avec
Comme peut prendre deux valeurs , il faut multiplier cette somme par deux pour avoir le nombre total de possibilits pour un
dfini.
Gross irement, cette express ion est gale :
Soit, plus rigoureus ement :
En effet, on peut simplifier tout somme de ce genre par :
grce aux nombres polygonaux.
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 38/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://sciences.siteduzero.com/tutoriel-3-402122-td-les-nombres-polygonaux.html7/22/2019 La Physique Quantique
39/47
Continuons.
Or , d'o :
Le nombre maximal d'lectrons dans une couche lectronique est gal , soit 2 pour K, 8 pour L et 18 pour M, etc.
J'espre que vous aurez tout compris ! Maintenant, nous allons voir une dcouverte aux multiples facettes qui est la base de la
physique des particules moderne : la radioactivit !
En conclusion :
Les lectrons peuvent s 'exciter et changer d'orbite s i ils reoivent une quantit suffisante d'nergie via un photon.
Il existe 4 nombre quantiques : , , , .
Le nombre maximal d'lectrons par orbite est gal .
Une fois de plus, une citation :
Citation : Ren Descartes
Je me fie quasi jamais aux premires penses qui me viennent.
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 39/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
40/47
La RadioactivitVous avez sans doute dj entendu le mot " radioactivit". Mais savez-vous ce que c'est que la radioactivit, d'o elle provient et
ce qu'implique exactement ce phnomne ?
Mons ieur Becquerel, lui aussi, tente de rpondre ces ques tions, alors, allons le voir !
Un Nouveau RayonnementNous sommes en 1896, et pour le moment, Henri Becquerel, physicien franais, se pose des questions sur la phos phorescence.Certains corps, lorsque l'on les place la lumire puis on les plonge dans l'obs curit mettent de la lumire. Pour en dcouvrir la
cause, Becquerel tente cette exprience :
Le papier noir absorbe la lumire. La plaque photographique ne peut tre imprime que par d 'autres rayonnements . Il tente
l'exprience avec des sels d 'uranium phos phorescents . Mais caus e des nuages , il ne peut pas clairer au pralables ces sels. Il
range le tout dans un t iroir.
Et l, surprise, lorsqu'il ress ort l'ensemble des jours plus tard, la plaque photographique est imprime par un rayonnement, sans
que les sels ait t exposs la lumire. Ce nouveau rayonnement pas sait travers un certain nombre de matriaux. Ces
rayonnements ressemblent beaucoup aux rayons X, dcouverts lanne prcdente par Rntgen, et qui traversent la chair, mais
pas les os , et laissent galement des traces sur une plaque photographique. Des expriences menes par Pierre et Marie Curie
montrrent que ce nouveau rayonnement es t bien plus complexe que les rayons X. Alors, qu'est-ce donc que ce rayonnement ?
Pierre Curie Marie Curie Henri Becquerel Wilhelm Rntgen Charles Wilson
Trs vite, il apparut que ce rayonnement qui manait de ces matriaux radioactifs tait compos d'au moins deux choses :
Un rayonnement lectromagntique trs intens e, comme des rayons X (de trs gros quanta d'nergie, plus de 1000 fois
plus nergtiques qu'un quantum de lumire), nomm rayonnement (gamma).
Des particules, trs petites.
Pour mieux observer ces particules, Charles Winson inventa en 1912 un outil appel la chambre brouillard. C'est un petit cube
rempli de vapeur d'alcool. Lorsqu'une particule charge comme un lectron pass e travers ces vapeurs , elle va perdre sa charge
en ionisant le milieu et laisse alors une trace dans celui-ci. Lorsque l'on plaait un matriau radioactif dans ce milieu, les traces se
multipliaient. On en observait plein, des petites paisses, des longues et fines.
Le rsultat ressemblait alors ceci :
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 40/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/400001_401000/400580.jpghttp://uploads.siteduzero.com/files/400001_401000/400103.jpghttp://uploads.siteduzero.com/files/400001_401000/400105.jpghttp://uploads.siteduzero.com/files/400001_401000/400104.pnghttp://uploads.siteduzero.com/files/400001_401000/400102.jpg7/22/2019 La Physique Quantique
41/47
Grce cette exprience, il est prouv que le rayonnement radioactif n'est pas compos de rayonnements d istincts, mais de trois
deux rayonnements particulaires et un rayonnement ondulatoire:
Un rayonnement particulaire qui laiss e de grosses traces, alpha ( )
Un rayonnement particulaire qui laiss e des traces fines, bta ( )
Un rayonnement lectromagntique, gamma ( )
Voici quoi ressemblaient les traces laiss es par ces rayonnements :
alpha bta
Ess ayons d 'en savoir un peu plus sur ces particules, leur charge par exemple. Plaons un aimant dans la chambre :
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 41/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/400001_401000/400578.pnghttp://uploads.siteduzero.com/files/400001_401000/400576.png7/22/2019 La Physique Quantique
42/47
Lors de la catastrophe nuclaire de Tchernobyl, les liquidateurs, personnes qui avaient la charge
de dblayer les dchets radioactifs, reurent une mdaille qui reprsentait cette exprience, avec
une goutte de sang la place de laimant.
Les particules alpha sont donc de charge positive et les bta de charge ngative.
En calculant la magnitude de la dviation, c'est dire en regardant quel point les particules taient
attirs par les aimants , on a pu dterminer le poids de chaque des particules, et quantifier leur charge.
Les particules alpha sont des noyaux d'hlium ou hlions. Les particules bta s ont des lectrons.
La recherche sur le sujet de la radioactivit est pourtant loin d'tre termine. Pierre et Marie Curie notamment vont dcouvrir bien
d'autre choses .
Les diffrents types de rayonnement radioactifsAu fur et mesure du temps, on dcouvrit d'autres roches et lments radioactifs. Par exemple, Pierre et Marie Curie traitrent
des tonnes de pechblende, une roche uranifre pour rcuprer quelques milligrammes de radium, un lment environ 1000 fois
plus "radioactif" que l'uranium.
Le radium est un lment chimique qui fait partie de la famille des alcalino-terreux, au mme titre que le calcium et le magnsium.
Tous les alcalino-terreux ont les mmes proprits chimiques (ce sont des mtaux, qui forment des ions similaires, etc.). Pourtant,
dans cette grande famille des alcalino-terreux, seul le radium est radioactif. Cette particularit permettrait sans doute de savoir
l'origine de la radioactivit.
Quelle est la principale diffrence entre nos tmoins comme le magnsium et le radium ? C'est la taille de ces atomes, leur nombre
de protons et de neutrons composant leur noyaux. Pour le magns ium, , mais pour e radium, ...
Or, vous le savez, le nombre d'lectrons es t gal , et plus il y a d'lectrons, plus ceux-ci occupent de couches lectroniques
(le nombre d'lectrons par couche tant limit . Les couches externes tant moins stables, et les noyaux trop volumineux
galement instables, les atomes avec un numro atomique lev comme le radium sont trs instables, et vont tenter de se
stabiliser. Comment ? En effectuant diverses transformations, appeles dsintgrations , comme Rutherford le dcouvrira et que
nous allons dtailler.
La Radioactivit (Bta moins)
Certains atomes instables le sont cause d'un excs de neutrons, et ils seraient plus stables s'ils changeaient ces neutrons
excdentaires en protons. Nos atomes instables radioactifs vont donc effectuer cette transformation. Cette transformation n'est
pas sans consquences. En effet, la trans formation d 'un neutron en proton provoque une rorganisation au niveau de l'atome et
celui-ci doit mettre de l'nergie, sous la forme d'un lectron. Celui-ci va laisser une trace dans la chambre brouillard.
Pourtant, cette libration d'nergie ose roblme. D'a rs la thorie de cons ervation de l'nergie, l'nergie des ractifs (neutron)
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 42/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/http://uploads.siteduzero.com/files/400001_401000/400677.jpg7/22/2019 La Physique Quantique
43/47
et des produits (proton, lectron) doit tre identique. Or en exprimentalement, on trouve systmatiquement un nergie des
produits infrieure celle des ractifs. Deux solutions :
Soit comme le privilge Bohr, le principe de conservation de l'nergie ne s'applique pas.
Soit, il faut rajouter un produit.
Pour Pauli, rajouter un produit serait plus vraisemblable. Il nomme ce produit neutrino, une particule neutre et trs difficile dtecter. C'est cette intuition qui s 'avra bonne. Le neutrino fut dcouvert exprimentalement plus tard, et on renomma leneutrino de la dsintgration antineutrino lectronique. Cette particule se note , avec pour le neutrino, pour le anti et
pour "lectronique".
Dans environ 10% des dsintgrations , l'mission d'nergie se fait plus difficilement et aprs avoir mis des particules, l'lectron (
) et l'antineutrino, ( ), la rorganisation interne du noyau s uite l'incrmentation du numro atomique provoque l'mission
d'une autre particule, un photon trs nergtique : appel rayonnement gamma ( ).
La Radioactivit (Bta plus)
Dans le sens inverse, certains atomes sont instables cause d'un excs de protons, et diminuer leur numro atomique les
stabiliserait un peu. Cette transformation va se faire, avec de nouvelles missions de particules, mais cette fois des particules
inverses, c'est dire : un positron not , et un neutrino lectronique not . Le pos itron est une particule de mme mass e et
spin que l'lectron, mais avec une charge positive. Cette particule est trs instable, et ds qu'elle est mise se dsintgre en deux
rayons gamma. Un autre rayon gamma peut tre ventuellement mis par le noyau.
La Radioactivit (Alpha)
Les trs gros atomes, trs instables, ont parfois mme besoin de se librer de protons et de neutrons. Pour ce faire, le noyau
instable peut mettre une particule alpha, ou hlion. C'est un noyau d'hlium, soit deux protons et deux neutrons, avec untraditionnel rayon gamma ventuel.
Partie 1 : La Remise en Cause de la Thorie Classique 43/48
www.siteduzero.com
http://www.siteduzero.com/7/22/2019 La Physique Quantique
44/47
Dsintgrations successives
Parfois, une seule dsintgration ne suffit pas pour rendre stable un noyau atomique, c'est pourquoi la plupart des lments
radioactifs effectuent success ivement une srie de dsintgrations radioactives jusqu' la stabilit.
Lorsque l'on a dcouvert la radioactivit, les firmes pharmaceutiques entre autresincorporrent de l'uranium et d'autres lments radioactifs dans leurs mdicaments o
cosmtiques, leur ass ociant des effets miracles sur la beaut o la sant. Comment ? Vous ne
dsirez pas vous faire appliquer un masque rajeunissant au thorium ? Alors c'est sans doute
car vous avez dj entendu parler des effets ngatifs de la radioactivit excessive. En effet,
dans chaque de vos cellules, vous possdez de l'ADN, qui contient des informations
ncessaire votre corps pour quil fabrique des lments ncessaires la cellule. Lorsqu'un
rayon gamma ou bta frappe ces brins d'ADN, ceux cis perdent de l'information, se cass ent o
sont modifis, et ces modifications ont une faible probabilit de produire des tumeurs... Ces
changements gntiques ont galement une part de responsabilit dans les processus
d'volution.
Alors vous vous demandez peut tre : comment arrter ces mchants rayons . Pour les
alpha, ce ne sera pas trop dur : ce sont des grosses billes de matire et ainsi, vous couvrir
d'une feuille de papier suffira les arrter. Les lectrons des rayons bta vous donneront plus
de fil retordre : ils sont plus petits, mais sont chargs et une feuille d'aluminium pourra les
arrter sans problme. Les neutrinos et antineutrinos eux traversent chaque seconde la terre de
part en part sans avoir d'effet, ils sont plutt inoffens ifs ! Par contre, les rayons gamma,