Introduction des rudiments de Physique de la matire

Introduction des rudiments de Physique de la matière et du rayonnement Nouveaux programmes de Terminales S - Académie de Limoges Formation continue - 1

Plan de l’exposé • Vers le quantum d’énergie – – Autour du rayonnement du corps noir L’effet photoélectrique Le quantum d’énergie Fréquences de Bohr et spectroscopies • La dualité onde-corpuscule – – Quantité de mouvement du photon ; effet Compton Dualité onde-corpuscule de la lumière ; hypothèse de de Broglie Diffraction des particules matérielles Interférences des particules matérielles - Académie de Limoges Formation continue - 2

Vers le quantum d’énergie Ou ce qu’il ne faut pas inventer pour résoudre quelques épineux problèmes… - Académie de Limoges Formation continue - 3

La situation au début du XXème siècle Quatre problèmes majeurs sans solution • Interprétation des spectres • Effet photo-électrique • Rayonnement du corps noir Mécanique quantique • Interprétation des résultats négatifs des expériences de Michelson et Morley Physique relativiste - Académie de Limoges Formation continue - 4

Le rayonnement du corps noir Densité énergétique spectrique à 3000 K, 4500 K et 6000 K - Académie de Limoges Formation continue - 5

Lois déduites de la physique classique • Loi de Stefan-Boltzmann : électromagnétisme et premier et second principes de la thermodynamique • Loi de Wien : Lois restées valides après la découverte des quanta - Académie de Limoges Formation continue - 6

L’effet photo-électrique Caractérisé par : L’existence d’une fréquence de seuil : le rayonnement n’extrait des électrons de la photocathode que si L’intensité de saturation ne dépend que de l’intensité du faisceau lumineux de fréquence n. - Académie de Limoges Formation continue - 7

Tentatives avortées (I) • Rayleigh – Jeans : Vérifiée aux grandes longueurs d’onde, mais divergence de la densité spectrique d’énergie volumique : « catastrophe ultraviolette » - Académie de Limoges Formation continue - 8

Tentatives avortées (II) • Wien – Planck : Vérifiée aux courtes longueurs d’onde, mais ne s’ajuste pas tout à fait exactement aux grandes longueurs d’onde - Académie de Limoges Formation continue - 9

Enfin le succès ! la loi de Planck 1900 : Loi de Planck du rayonnement du corps noir S’ajuste parfaitement aux courbes densités spectriques de rayonnement. - Académie de Limoges Formation continue - 10

Le quantum d’énergie La solution de Planck introduisit : • Une nouvelle constante, la constante d’action, h dont la dimension est « quantité de mouvement x longueur » (action) ou « moment cinétique » , h 6, 6260755. 10 -34 J. s • Le quantum d’énergie à la fréquence n, quantité d’énergie indivisible engagée dans une interaction entre un rayonnement de fréquence n et la matière, E=hn - Académie de Limoges Formation continue - 11

Interprétation de l’effet photo-électrique L’interaction entre le rayonnement et les électrons du métal est unitaire : le transfert d’énergie se manifeste par l’absorption d’un quantum d’énergie, le photon, par un électron : Einstein 1905 Permet d’expliquer la fréquence de seuil : - Académie de Limoges Formation continue - 12

Interprétation des spectres de raies Raies spectrales photons de fréquences d’énergie où et sont des énergies possibles pour un électron dans l’atome. Modèle semi-classique de l’atome d’hydrogène : l’atome de Bohr (1913). Quantification des états d’énergie de l’électron dans l’atome. - Académie de Limoges Formation continue - 13

A la base des spectroscopies Fréquences discrètes d’émission ou d’absorption différences des niveaux d’énergie des électrons ou des noyaux dans atomes ; Les bandes d’absorption (continuum de fréquences de Bohr) existence de couplages entre niveaux discrets lors de l’association d’atomes pour former des ions ou des molécules Permettent l’analyse qualitative et quantitative de nombreuses espèces moléculaires - Académie de Limoges Formation continue - 14

Spectroscopies (I) d’absorption dans l’U. V. et le visible (l = 180 à 780 nm) Changement d’état électronique (électrons de liaison, non liants ou non partagés) dans les entités chimiques - Académie de Limoges Formation continue - 15

Spectroscopies (II) d’absorption infrarouge (l = 780 nm à 1 mm) Changement d’état moléculaire. Fondée sur une modification du moment dipolaire de la molécule. Exclut les molécules diatomiques homonucléaires. - Académie de Limoges Formation continue - 16

Dualité onde - corpuscule De la dualité de la lumière à celle de la matière - Académie de Limoges Formation continue - 17

Quantité de mouvement d’un photon • Relation d’Einstein issue de la relativité : • Vitesse du photon : c, donc masse nulle. D’où : - Académie de Limoges Formation continue - 18

Vérification expérimentale La diffusion inélastique -avec changement de fréquence - d’un photon sur un électron « immobile » apporte la preuve expérimentale de la quantité de mouvement du quantum de lumière : effet Compton (1923) - expérience Relation de Compton : Académie de Limoges Formation continue - 19

Dualité onde-corpuscule de la lumière Caractère ondulatoire de la lumière : Caractère corpusculaire de la lumière : Onde lumineuse gouvernée par la théorie de Maxwell Flux de photons • fréquence, longueur d’onde • énergie de valeur quelconque • interférences • diffraction • localisation de l’énergie au moment de l’échange • intensité du faisceau quantifiée • quantité de mouvement - Académie de Limoges Formation continue - 20

L’hypothèse de de Broglie (1923) Louis de Broglie : « Le but essentiel poursuivi par cette tentative était de parvenir à une théorie synthétique des ondes et des corpuscules dans laquelle le corpuscule apparaîtrait comme une sorte d’accident incorporé à la structure d’une onde et guidé par sa propagation » . Lumière : conception ondulatoire corpusculaire Matière : conception corpusculaire - conception ondulatoire Académie de Limoges Formation continue - 21

Vérification expérimentale (I) Davisson et Germer découvrent en 1927 le phénomène de diffraction des électrons par un cristal de nickel - Académie de Limoges Formation continue - 22

Vérification expérimentale (II) Courbes de déviation du galvanomètre en fonction de l’angle f à q donné - Dispositif expérimental Académie de Limoges Formation continue - 23

Figures de diffraction de rayons X ; d’électrons à travers une mince feuille d’aluminium - Académie de Limoges Formation continue - 24

Usage de la diffraction corpusculaire • Diffraction d’électrons (pénètrent très peu car interaction coulombienne avec les noyaux ; sensibles à Z) • Analyse de la structure de surfaces ou de couches minces • Diffraction de neutrons (intensité de la diffraction liée aux sections efficaces de diffusion des neutrons par les noyaux) • Étude en profondeur des structures cristallines - Académie de Limoges Formation continue - 25

Interférences construites photon par photon ou particule de matière (I) Dispositif de fentes d’Young éclairé par une source lumineuse de très faible intensité - Sans détection de passage des électrons par chaque trou Académie de Limoges Formation continue - 26

Interférences construites photon par photon ou particule de matière (II) Dispositif de fentes d’Young éclairé par une source lumineuse de très faible intensité - Avec détection de passage des électrons par chaque trou Académie de Limoges Formation continue - 27

Et ce n’est pas une vue de l’esprit… Figure d’interférences produite molécule par molécule à travers deux fentes parallèles ; Projectile : dérivé de phtalocyanine Durée expérience : 90 mn Origine : physicsworld. com - Académie de Limoges Formation continue - 28

Existe-t-il un critère de « quanticité » ? • A priori : la mécanique quantique est le cadre conceptuel adéquat pour analyser convenablement les phénomènes physiques qui se déroulent dans le domaine microscopique. Concerne les situations pour lesquelles : masse x vitesse x longueur caractéristique h longueur caractéristique longueur d’onde de de Broglie • Il existe des situations macroscopiques qui relève de la physique quantique : supraconductivité, superfluidité… - Académie de Limoges Formation continue - 29

Si tout ceci demeure obscur, rassurez-vous : « Ces cinquante années de rumination consciente ne m’ont pas rapproché de la réponse à la question : Que sont les quanta lumineux ? Aujourd’hui le premier fripon venu croit qu’il sait ce qu’ils sont, mais il se leurre. » Lettre à Michele Besso du 12 décembre 1951 - Académie de Limoges Formation continue - 30