Physique quantique

La naissance de la physique quantique

Historiquement, ce sont les expériences concernant le spectre du rayonnement thermique émis par les corps chauds qui incitèrent les physiciens à modifier leurs modèles théoriques. Au début du XXème siècle, on était en présence de deux théories, chacune étant à moitié satisfaisante:
En 1893, Wien réussit à décrire correctement la partie des courtes longueurs d'onde (bleu du spectre). Mais, sa formule était inadaptée pour les grandes longueurs d'onde (rouge du spectre). Par contre, à la même époque, Jeans et Rayleigh expliquèrent convenablement le spectre des grandes longueurs d'onde. Mais leur formule était inadéquate pour l'autre partie! On en était alors réduit à utiliser la théorie de Wien pour le bleu du spectre et la théorie de Rayleigh-Jeans pour le rouge du spectre.

Puis, Planck réussit la synthèse des deux théories au début du XXème siècle. Mais, il dut révolutionner la conception classique du rayonnement lumineux. Au lieu de représenter la lumière comme un phénomène ondulatoire continu, il proposa que la lumière était constituée de grains d'énergie qui ondulaient par paquets distincts: les quantas ou photons. Planck supposa de plus que chaque photon possèdait une énergie caractérisée par sa longueur d'onde. Plus le grain lumineux est de courte longueur d'onde, plus son énergie est grande (proportionnalité entre l'énergie et la fréquence du photon). Cette nouvelle conception de la quantification de la lumière (révolution quantique du XXème siècle) peut être comparée au changement de conception concernant la matière (révolution atomiste du XIXème siècle).

Dès lors, on décrit les phénomènes d'absorption et d'émission de la lumière en termes d'interactions entre les électrons des atomes concernés et les photons de la lumière. Ces interactions ne concernent toujours que des nombres entiers de photons. Ces phénomènes sont mathématiquement discrets (ou non continus). Ils caractérisent la physique microscopique moderne (ou physique quantique). La théorie quantique va changer notre conception de l'atome. D'abord pour les électrons atomiques, puis pour les protons et neutrons du noyau. En effet, on va décrire ces particules atomiques en termes de propriétés physiques discrètes. Chaque particule est caractérisée par un niveau d'énergie bien précis. Sa position et sa vitesse ne peut changer que de manière discontinue.

Quelques années après la parution de la théorie des quanta lumineux de Planck, Einstein la rendit populaire lorsqu'il l'utilisa pour expliquer l'émission des électrons par "effet photoélectrique". Une lumière bleue pouvait "arracher" des électrons lorsqu'elle atteignait certains métaux. Par contre une lumière rouge, même intense, ne le pouvait jamais! La théorie classique du rayonnement continu était incapable d'expliquer ce phénomène, car l'énergie de la lumière n'est liée qu'à l'intensité des ondes. Einstein, en appliquant les idées de Planck, montra que l'énergie d'un photon bleu est suffisante pour arracher un électron du métal. Par contre, un photon rouge possède une énergie trop faible pour y réussir (car l'énergie du photon rouge est plus petite que l'énergie de liaison des électrons du métal).