PARTICULE QUANTIQUE
La théorie quantique est utilisée par les physiciens pour rendre compte des phénomènes qui ont cours à l'échelle microscopique des particules.
La puissance oprératoire de cette physique est considérable. Elle est désormais utilisée par les physiciens nucléaires et atomistes, par les physiciens du solide et même par les astrophysiciens. A ce jour, aucune expérience n'est venue démentir ses prédictions, aussi étranges soient-elles. La physique quantique utilisant des concepts qui n'ont pas toujours de contrepartie dans la vie courante, il ne faut pas s'étonner si certaines de ses prédictions heurtent si violemment le sens commun.
Albert Einstein, pour ne citer que lui, n'a jamais accepté certaines des conséquences de la théorie quantique: voyez comme il lui tire la langue!
Pourquoi le mot "quantique"?
La physique quantique signifie littéralement "physique des quanta" (= pluriel latin de "quantum" qui signifie quantité).
Ce nouveau mot apparaît dans le registre de la physique le 14 Décembre 1900 grâce à un mémoire révolutionnaire lu devant l'Académie des sciences de Prusse par l'Allemand Max Planck: Ce dernier postule l'idée originale selon laquelle les échanges d'énergie entre la lumière et la matière ne peuvent se faire que par paquets discontinus, que l'on appellera les quanta. Il renonce ainsi à la loi sacrée de la continuité, pilier de la physique classique.
Qu'est ce que la lumière "classique" et continue ?
Pas si facile de se représenter un tel concept immatériel!
A la fin du XIXe siècle, James Maxwell définit la lumière comme étant un faisceau d'ondes électromagnétiques se déplaçant à vitesse constante dans le vide: la fameuse vitesse c de 300.000 kilomètres par seconde.
Autant il est aisé de s'imaginer une onde parcourant la surface de l'eau et le son comme étant une vibration de l'air, autant le concept d'onde électromagnétique (comme étant une oscillation de champs électrique et magnétique associés) a de quoi laisser perplexe. Comment imaginer ces champs intimement liés? quel est le support de cette oscillation dans le vide?
Toujours est-il que la lumière est caractérisée par sa fréquence (voir plus loin) ou sa longueur d'onde. La lumière n'est donc qu'une fenêtre étroite de l'ensemble des ondes électromagnétiques (qui comprennent aussi les rayons gamma, X, ultraviolets, infrarouges, les ondes radios...). Voir spectre)
La lumière photonique et quantique
Après Max Planck, cette notion radicalement nouvelle de "lumière quantique" sera reprise en 1905 par Albert Einstein qui soutiendra que l'énergie de la lumière est en quelque sorte "granuleuse". Ce "grain d'énergie" sera appelé photon en 1926. Une nouvelle particule est née, particule immatérielle et sans masse.
Chaque photon d'un rayonnement (lumière, ondes radios, rayons X...) est porteur d'un quantum d'énergie caractéristique de sa fréquence (fréquence de la lumière = couleur).
La physique quantique va donc associer une onde et une particule. Cette association se généralisera d'ailleurs à toute particule, et notamment l'électron.
Mais comment concilier du continu (ondes) avec du discontinu (particules)?
C'est tout le paradoxe de la dualité onde-corpuscule
La physique quantique 1
La dualité onde-corpuscule
La remise en cause la plus importante à laquelle oblige la physique quantique concerne la manière de représenter les objets physiques et leurs propriétés. L'ancienne physique, dite classique, distingue deux sortes d'entités fondamentales:
- les corpuscules, qui sont des sortes de billes microscopiques,
- les ondes, qui se propagent dans l'espace un peu comme le mouvement d'une vague sur la mer.
La physique quantique ne retient pas cette classification pourtant bien commode. Les objets qu'elle considère ne sont ni des corpuscules, ni des ondes, mais "autre chose".
Aidons-nous de l'analogie suivante:
Regardé sous deux angles différents, un cylindre nous apparaît tantôt comme un cercle, tantôt comme un rectangle. Pourtant il n'est ni l'un ni l'autre.
Ainsi en est-il du photon, de l'électron ou de toute particule élémentaire dont l'image corpusculaire ne serait qu'une facette d'une entité plus complexe.
Ce point précis peut poser un problème philosophique très troublant:
La réalité objective (s'il elle existe indépendemment de l'esprit humain) est-elle accessible ?
Ou sommes-nous condamner à n'observer qu'un monde d'apparences trompeuses?
D'où vient la lumière?
La physique quantique permet de mieux comprendre comment la lumière est émise par la matière...
Le modèle de l'atome de Niels Bohr était un modèle à la frontière de deux âges: l'âge classique pré-quantique et le monde quantique. Mais il expliquait déjà le mécanisme de l'émission de lumière par un atome
:
Cette émission s'explique alors par le saut qu'effectue un électron d'une orbite E2 à une orbite E1. Pendant ce saut vers l'orbite E1 moins énergétique (une orbite plus intérieure), l'électron va céder une partie de son énergie sous forme d'un photon émis vers l'extérieur.
L'énergie de ce photon, E2 - E1, sera un multiple entier (la fameuse quantification de la lumière) de la valeur hn.
- h est un nombre constant universel appelé constante de Planck. h = 6,62 x 10 -34 J.s (Joule-seconde).
- n (lettre grecque nu) est la fréquence de la lumière (ou photon) émise. Cette fréquence est le nombre d'oscillations de l'onde lumineuse par seconde. Elle se mesure en Herz ou Hz. Plus la fréquence de la lumière est élevée, plus son énergie est importante et plus la couleur tend vers le bleu (et au-delà l'ultra-violet, les rayons X et Gamma). Un électron, faisant un "grand saut" d'une orbite atomique à une autre, émettra donc un photon d'autant plus énergétique et donc de fréquence d'autant plus élevé.
,Inversement, l'électron d'un atome pourra absorber un photon d'énergie donnée en ainsi sauter d'une orbite peu énergétique à une orbite plus énergétique: Il sera ainsi excité car sur une orbite plus énergétique que la normale. C'est en se désexcitant qu'il pourra réémettre un photon.
<------Cliquez sur le dessin pour l'agrandir!
LA
théorie quantique stipule que toutes les orbites électroniques ne sont pas autorisées. Ces orbites ne sont permises que dans la mesure où un électron, sautant d'une orbite à une autre, peut émettre ou absorber un photon d'une énergie multiple de la fameuse valeur hn. C'est cette discontinuité quantique de l'énergie échangée qui entraîne une discontinuité des orbites permises. Chaque orbite électronique autorisée sera donc quantifiée et caractérisée par des nombres quantiques (4 nombres notés n, l, m et s).
Par exemple, le nombre n s'appelle le nombre quantique principal. Il désigne le numéro de la couche électronique aussi désignée par les lettres K, L, M, O, P, Q.
Le spectre lumineux
Chaque atome ne peut donc émettre qu'une palette précise de couleurs caractéristiques :
Chaque couleur de la lumière est en fait une fréquence particulière (et donc un niveau d'énergie) de photon. Tous les sauts d'électrons entre toutes les orbites possibles au sein d'un même atome se traduisent donc par l'émission (ou l'absorbtion) d'un spectre de lumière caractéristique: Il s'agit là d'une véritable carte d'identité d'un type d'atome donné. C'est grâce à ce spectre facilement identifiable que l'on peut savoir quels atomes existent dans les étoiles du firmament. Leur lumière est captée par les télescopes, analysée et comparée avec les spectres de l'hydrogène, de l'hélium etc...
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