L'équation de Planck

N. B. : Les joules-seconde (Js) sont des unités d'action et de moment cinétique qui représentent des masses (en kg) multipliées par une vitesse (en m/s) multiplié par une position.

E = hf

L'équation de Planck (1900), nommée d'après le physicien allemand Max Planck (1858-1947), est une formule qui décrit la relation entre l'énergie d'un photon et la fréquence de la lumière correspondante.

Cette équation a été développée par le physicien pour expliquer la distribution spectrale de la radiation du corps noir qui était une énigme à l'époque.

N.B. : En physique, un corps noir est un objet idéal qui absorbe complètement toute la radiation électromagnétique incidente, quelles que soient la fréquence ou la direction de cette radiation. Il ne réfléchit ni ne transmet aucune lumière, mais il peut en revanche émettre un rayonnement lorsqu'il est chauffé, appelé le rayonnement du corps noir.

Lorsque les physiciens calculaient la densité spectrale de l'énergie rayonnée par un corps noir à une température donnée avec la théorie classique de l'électromagnétisme, ils n'obtenaient pas la distribution réelle de l'énergie observée pour les corps noirs.

La théorie classique de l'électromagnétisme supposait que l'énergie était continue, c'est-à-dire que les ondes électromagnétiques pouvaient avoir n'importe quelle énergie. Pour résoudre cette énigme, Planck émet l'hypothèse que l'énergie ne s'échange pas de manière continue mais par petits "paquets" discrets qu'il appelle des "quanta". Cette hypothèse signifiait que l'énergie électromagnétique ne pouvait pas prendre n'importe quelle valeur, mais seulement des multiples d'une certaine énergie de base égale à la fréquence multipliée par une constante.

L'équation est aujourd'hui l'une des pierres angulaires de la physique quantique et elle est exprimée sous la forme suivante : E = hf où E représente l'énergie du photon, f la fréquence de la lumière et h la constante de Planck qui a une valeur de 6,626 x 10^-34 joule-seconde.

Cela signifie que l'énergie E d'un photon électromagnétique est directement proportionnelle à sa fréquence ν, et que la constante de proportionnalité est la constante de Planck h. Cette relation est aujourd'hui connue sous le nom d'équation de Planck-Einstein.

A quoi sert E = hf ?

L'équation de Planck a eu des implications importantes pour la compréhension de la nature de la lumière qui était considérée à l'époque comme une onde électromagnétique seulement.

L'équation de Planck a conduit au développement de la mécanique quantique, qui est la branche de la physique qui étudie les propriétés et le comportement des particules subatomiques.

La constante de Planck h, qui relie l'énergie des photons à leur fréquence est une constante fondamentale de la physique quantique car elle sert à quantifier l'énergie associée aux interactions électromagnétiques et à tous les processus quantiques. Elle joue un rôle important dans la compréhension de nombreux phénomènes tels que la dualité onde-particule, l'émission et l'absorption de photons, les énergies de transitions quantiques dans les atomes et les molécules, la conductivité électrique des solides, la production de rayonnement électromagnétique dans les accélérateurs de particules, la compréhension de la formation des étoiles, etc.

La constante de Planck est utilisée dans de nombreux domaines technologiques, notamment pour l'étude de la spectroscopie, la conception des semi-conducteurs, la production de lasers, la conception de cellules solaires, etc. Elle a envahi de nombreuses équations de la physique quantique, notamment l'équation de Schrödinger, qui décrit l'évolution temporelle des états quantiques d'un système. Mais aussi la relation d'incertitude de Heisenberg, qui énonce qu'il y a une limite fondamentale à la précision avec laquelle il est possible de mesurer simultanément la position et la quantité de mouvement d'une particule.