Physique quantique | ||||
Le mystère de la structure de l'atome | Mise à jour 01 juin 2013 | |||
Au IVe siècle av JC, les philosophes grecs Leucippe et Démocrite émettent l'hypothèse que toute la matière est composée de particules minuscules, en mouvement perpétuel, très solides et éternelles, appelées 'atomos' (indivisible). En 1803, John Dalton (1766-1844), chimiste et physicien britannique, développe sa théorie atomique selon laquelle la matière est composée de particules indivisibles qu'il nomme atomes. En 1811, Amedeo Avogadro (1776-1856), physicien et chimiste italien, estime la taille des atomes, à 10-10 mètre. | Cette révolution scientifique et conceptuelle qui explique l'existence de la matière, est à la base de notre compréhension physique du monde. La théorie quantique est une théorie non déterministe par définition, c'est-à-dire que même si l'on connait tous les paramètres au départ, il y a des phénomènes que l'on ne peut pas prédire. Cette incertitude et cet indéterminisme sont intrinsèques à la théorie. En plus de l'incertitude sur la localité, la mécanique quantique tolère l'existence d'états intriqués, c'est-à-dire qu'à l'échelle quantique plusieurs objets séparés spatialement peuvent former un seul objet quantique, qui réagira globalement. En résumé, dans le monde quantique les objets peuvent être à la fois, ici et là, dans un état ou plusieurs. Maintenant que l'on a accès directement au monde des atomes, il est possible de vérifier ces propriétés paradoxales du monde quantique. On ne peut déterminer l'état d'un système quantique qu'en l'observant, ce qui a pour effet de détruire l'état en question. | Image : 10-14 mètre ou 10 fermi, c’est la distance à laquelle on peut voir le noyau d'un atome. Vers la fin du 19ème siècle, on découvre que l'atome n'est pas un élément de matière, indivisible. Le proton est un nucléon comme le neutron, ils entrent dans la composition de la matière dont nous nous sommes fait une représentation simple. | ||
La lumière et le photon | ||||
Pour le français René Descartes (1596-1650), la lumière était composée de particules. La lumière ondulatoire a été introduite en 1690 par le néerlandais Christian Huygens (1629-1695), qui a eu l'intuition que la lumière se propageait comme des vagues dans un milieu qu'il a appelé l'éther. L'anglais Isaac Newton (1643-1727) croyait que la lumière était constituée de particules et au début du 19è siècle, le français Augustin Fresnel (1788-1827), à l'origine de l’optique moderne, propose une explication à tous les phénomènes optiques dans le cadre de la théorie ondulatoire de la lumière. Au cours du 19è siècle on accepte que la lumière est bien un phénomène ondulatoire à la suite d'expériences probantes. A la fin du 19è, l'écossais James Clerk Maxwell (1831-1879) en un seul ensemble d'équations, les équations de Maxwell, unifie les phénomènes lumineux, l'électricité, le magnétisme et l'induction. C'est à l'époque le modèle le plus unifié de l'électromagnétisme. Les équations de maxwell décrivent parfaitement la lumière ondulatoire mais elles se propagent toujours dans un milieu appelé l'éther. | Max Planck explique que la lumière et la matière échangent l'énergie sous forme de quanta discrets d'énergie (E=hv). A la fin du 19è siècle, deux physiciens, Albert Abraham Michelson (1852-1931) et Edward Williams Morley (1838-1923) ont cherché à déterminer ce flux de l'éther, en mesurant la vitesse de la lumière entre deux directions perpendiculaires à deux périodes distinctes de l'année. Ils s'attendaient à mesurer des variations de cette vitesse mais le résultat fut surprenant, tous les rayons de lumière avaient la même vitesse. En 1905, Albert Einstein trouve qu'il y a une incompatibilité entre les équations de maxwell et les hypothèses de Planck. Il fallait des petits grains (particules) de lumière pour que les hypothèses de Planck soient correctes. Le concept de grains de photon fut difficilement admis par l'ensemble des physiciens jusqu'à ce que l'américain Robert Andrews Millikan (1868-1953) apporte des preuves expérimentales irréfutables en 1915, en accord parfait avec la description corpusculaire proposée par Einstein. | Image : Les grains de lumière de notre soleil. Ces grains sont appelés photons. La lumière présente une dualité onde-particule, Louis de Broglie proposa de généraliser cette dualité à toutes les particules connues de l'atome. | ||
Nature ondulatoire de l’électron | ||||
En 1925, le mathématicien et physicien français Louis de Broglie (1892-1987), se demande si on ne peut pas, à partir d'un corpuscule obtenir un phénomène ondulatoire. Il est lauréat du prix Nobel de physique de 1929 « pour sa théorie sur la nature ondulatoire des électrons ». Cette thèse théorique fut confirmée en 1927 par deux expérimentateurs américains Clinton Davisson et Lester Germer. | Image : Illustration de l'électron. |