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De la théorie classique à la physique quantique
Du classique au quantique
1. Lumière et sauts d’énergie
En première approche, il nous faut définir ce qu’est la physique quantique. On considère en général que la physique quantique est la physique de l’infiniment petit. La physique non quantique est ce qui est appelé en général physique classique. La physique classique étant peu ou prou l’ensemble des connaissances en physiques atteint à la fin du XIXe siècle. En effet, la physique semble alors en capacité d’expliquer et de mettre en équation tout phénomène visible nous entourant :
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La mécanique de Newton et ses successeurs expliquent parfaitement le mouvement observable sur Terre, mais également celui des objets célestes.
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La thermodynamique permet de mettre en équation le comportement des gaz, les échanges de chaleur et de température et de manière générale le fonctionnement des machines thermiques, y compris celles pouvant être vues ainsi dans la nature.
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Les équations de Maxwell (1865) achèvent de donner une complétude à l’ensemble, car elle permet d’expliquer et de mettre en équation le champ électromagnétique ainsi que le caractère ondulatoire de la lumière.
Au début du XXe siècle, les sciences physiques ont donc atteint...
L’atome
La matière est faite de molécules, elles-mêmes composées d’atomes. C’est en général ce que l’on retient lorsque l’on est non initié. C’est un point de départ largement suffisant pour détailler ces caractéristiques :
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Un atome est neutre électriquement.
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Un atome est composé de deux sous-entités :
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Un noyau central.
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Des électrons qui tournent autour de ce noyau central.
Le noyau central est composé de protons (chargés positivement électriquement) et de neutrons (neutres électriquement). Les électrons qui tournent autour du noyau central sont chargés négativement électriquement. L’atome étant neutre électriquement, on a pour conséquence d’avoir autant d’électrons que de protons dans un atome.
Par ailleurs, l’atome, et donc la matière, a une structure dite lacunaire. C’est-à-dire qu’il est composé essentiellement de vide ou de rien. En effet, en termes de tailles relatives et de distances relatives, on a les grandeurs suivantes :
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L’atome a une taille de l’ordre de 10-10mètres.
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Le noyau de l’atome a une taille de l’ordre de 10-15 mètres.
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Un électron a une taille de l’ordre de 10-21 mètres.
Une analogie couramment proposée pour...
La classification périodique des éléments
La question que l’on peut alors se poser est : combien d’électrons (ou de protons, il y en a autant) dans mon atome ? C’est d’autant plus important de le savoir que c’est aussi cela qui conditionne la valeur des niveaux d’énergie comme nous le verrons par la suite. Ceci dépend en fait de l’élément chimique qui est étudié. Selon l’élément, on a un numéro atomique différent.
Le nombre atomique représente le nombre de protons (Z) et donc d’électrons d’un atome.
Autre grandeur pertinente, le nombre de masse qui représente le nombre de nucléons d’un atome.
Le nombre de masse représente la somme du nombre de protons et du nombre de neutrons et donc celui de nucléons (protons et neutrons) d’un atome.
Le tableau périodique des éléments met en évidence que chaque élément chimique se différencie des autres par justement son nombre atomique et donc par son nombre d’électrons. On voit par contre qu’un même nombre de masse se retrouve dans plusieurs éléments chimiques. Classés selon les lignes, ces éléments aux nombres de masse identiques sont appelés des isotopes.
Ci-dessous, un extrait du tableau périodique...
La lumière
1. Lumière, onde-corpuscule
En première approche et d’après les équations de Maxwell, la lumière est une onde. Mais pas seulement. Au nom de la dualité onde-corpuscule qui la concerne, elle est également de nature corpusculaire. Il y a en effet des particules élémentaires dans la lumière, celles incluses dans les petits paquets d’énergie (quantum). En clair, la lumière est à la fois corpusculaire et ondulatoire.
En schématisant, dans l’atome, les niveaux d’énergie atteints par paquet (quanta) le sont via les électrons (nous préciserons cette idée dans le chapitre suivant). Dans la lumière et dans tout rayonnement électromagnétique en général, ce type de niveaux d’énergie est appelé quanta de lumière ou encore photon.
C’est l’étude du phénomène photo-électrique qui permet à la physique du premier tiers du XXe siècle de tirer au clair le double aspect ondulatoire et corpusculaire (c’est-à-dire composé de particules) de la lumière. En effet lorsque de la lumière est projetée sur une plaque métallique, on assiste à une production d’électricité. Ainsi la lumière « crée » un courant électrique...