fete science oct 2014 -...
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THÉORIE QUANTIQUETHÉORIE QUANTIQUETHÉORIE QUANTIQUETHÉORIE QUANTIQUE
• • • • Systèmes à l’échelle atomique et subatomiqueSystèmes à l’échelle atomique et subatomiqueSystèmes à l’échelle atomique et subatomiqueSystèmes à l’échelle atomique et subatomique
• • • • Propriétés physiques des corps à notre échellePropriétés physiques des corps à notre échellePropriétés physiques des corps à notre échellePropriétés physiques des corps à notre échelle(conductivité, magnétisme, couleur, ductilité, etc…)(conductivité, magnétisme, couleur, ductilité, etc…)(conductivité, magnétisme, couleur, ductilité, etc…)(conductivité, magnétisme, couleur, ductilité, etc…)
• • • • Relations entre lumière et matièreRelations entre lumière et matièreRelations entre lumière et matièreRelations entre lumière et matière
Théorie des quanta 1900-1920Première forme élaborée (non relativiste) : 1926-27Electrodynamique quantique 1948-50
Naissance des idées quantiquesNaissance des idées quantiquesNaissance des idées quantiquesNaissance des idées quantiquesBERLIN, BERLIN, BERLIN, BERLIN, 14 14 14 14 DECEMBRE DECEMBRE DECEMBRE DECEMBRE 1900190019001900
Energie
Constante de Planck : � � 6.62 �10�� . �
Fréquence
LLLLES SCIENCES PHYSIQUESES SCIENCES PHYSIQUESES SCIENCES PHYSIQUESES SCIENCES PHYSIQUESAU MILIEU AU MILIEU AU MILIEU AU MILIEU DU XIXDU XIXDU XIXDU XIXÈMEÈMEÈMEÈME SIÈCLESIÈCLESIÈCLESIÈCLE
Dynamique de NewtonDynamique de NewtonDynamique de NewtonDynamique de NewtonGravitationGravitationGravitationGravitation
Thermodynamique Thermodynamique Thermodynamique Thermodynamique
Optique Optique Optique Optique
Electricité et Magnétisme Electricité et Magnétisme Electricité et Magnétisme Electricité et Magnétisme
Causes du mouvement et de l’équilibre des systèmes matériels.Causes du mouvement et de l’équilibre des systèmes matériels.Causes du mouvement et de l’équilibre des systèmes matériels.Causes du mouvement et de l’équilibre des systèmes matériels.Astronomie, Constructions mécaniques, Mouvement des fluides,…Les 3 lois du mouvement, loi de la gravitation : Newton 1687
Science de la chaleur et des échanges énergétiques entre les systèmes.Science de la chaleur et des échanges énergétiques entre les systèmes.Science de la chaleur et des échanges énergétiques entre les systèmes.Science de la chaleur et des échanges énergétiques entre les systèmes.Moteurs, Transitions de phases (gaz-liquide-solide,…),… Machines à vapeur – 1700 (Newcomen, Papin,…)1er et 2ème principes (Carnot 1823, Joule 1841, Clausius 1850-54)
Phénomènes électriques et magnétiques.Phénomènes électriques et magnétiques.Phénomènes électriques et magnétiques.Phénomènes électriques et magnétiques.Franklin 1747, Coulomb 1785, pile Volta 1800, Oersted 1820, Premiers mémoires de Maxwell 1855
Phénomènes lumineux.Phénomènes lumineux.Phénomènes lumineux.Phénomènes lumineux.Lois de la réflexion et de la réfraction de la lumièreNature de la lumière, origine des couleurs ? Newton 1704 : corpuscules matérielsHuygens 1690, Young 1802Young 1802Young 1802Young 1802,Fresnel 1821, Foucault 1850 : nature ondulatoire de la lumièrenature ondulatoire de la lumièrenature ondulatoire de la lumièrenature ondulatoire de la lumière
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
Dans la nature
Au laboratoire : cuve à ondes
UNE ONDE ?UNE ONDE ?UNE ONDE ?UNE ONDE ?
Fréquence de l’onde : � ��
��1
�
UNE ONDE DIFFRACTE UNE ONDE DIFFRACTE UNE ONDE DIFFRACTE UNE ONDE DIFFRACTE SOURCES SEC0NDAIRESSOURCES SEC0NDAIRESSOURCES SEC0NDAIRESSOURCES SEC0NDAIRES
Dans la nature
Au laboratoire
Onde incidente Onde diffractée
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
LES ONDES INTERFÈRENT ENTRE ELLESLES ONDES INTERFÈRENT ENTRE ELLESLES ONDES INTERFÈRENT ENTRE ELLESLES ONDES INTERFÈRENT ENTRE ELLES
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
THOMAS YOUNG (1802)THOMAS YOUNG (1802)THOMAS YOUNG (1802)THOMAS YOUNG (1802)
Largeur des fentes S1, S2 : environ 100 mm (épaisseur d’une lame de rasoir)
Distance entre les deux fentes : qqs dixièmes de mm
Distance entre le plan des fentes et l’écran d’observation : qqs dizaines de cm
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
THOMAS YOUNG (1802)THOMAS YOUNG (1802)THOMAS YOUNG (1802)THOMAS YOUNG (1802)NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
Spectre lumineux
Dépend de la couleur de la lumière utilisée
une longueur d’onde une longueur d’onde une longueur d’onde une longueur d’onde = une couleur lumineuse donnée une couleur lumineuse donnée une couleur lumineuse donnée une couleur lumineuse donnée ==== une fréquenceune fréquenceune fréquenceune fréquence
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
7,5 � 10���� 4,3 � 10����
(N.B. pas de brun !)(N.B. pas de brun !)(N.B. pas de brun !)(N.B. pas de brun !)
Spectre du rayonnement électromagnétique
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
Spectre du rayonnement électromagnétique
1800 1800 1800 1800 HershellHershellHershellHershell«««« chaleur rayonnantechaleur rayonnantechaleur rayonnantechaleur rayonnante »»»»
1801 Ritter 1801 Ritter 1801 Ritter 1801 Ritter «««« rayons chimiquesrayons chimiquesrayons chimiquesrayons chimiques »»»»
XIXXIXXIXXIXèmeèmeèmeème sièclesièclesièclesiècle
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
Mais qu’estMais qu’estMais qu’estMais qu’est----ce qui ondule ??ce qui ondule ??ce qui ondule ??ce qui ondule ??
Le champ électromagnétiqueLe champ électromagnétiqueLe champ électromagnétiqueLe champ électromagnétique
la lumière est une perturbation électromagnétique se propageant dans l'espace suivant les lois de l'électromagnétisme
Vision électromagnétique d’un rayon de lumière qui se propage
Rayons lumineux
NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRENATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
LES SCIENCES PHYSIQUESLES SCIENCES PHYSIQUESLES SCIENCES PHYSIQUESLES SCIENCES PHYSIQUESVERS LA FIN VERS LA FIN VERS LA FIN VERS LA FIN DU XIXDU XIXDU XIXDU XIXÈMEÈMEÈMEÈME SIÈCLESIÈCLESIÈCLESIÈCLE
Dynamique Dynamique Dynamique Dynamique
ThermodynamiqueThermodynamiqueThermodynamiqueThermodynamique
ElectromagnétismeElectromagnétismeElectromagnétismeElectromagnétisme
Phénomènes électriques, Phénomènes électriques, Phénomènes électriques, Phénomènes électriques, magnétiques et optiques.magnétiques et optiques.magnétiques et optiques.magnétiques et optiques.Equations de Maxwell 1864-73
Hypothèse atomique ?Hypothèse atomique ?Hypothèse atomique ?Hypothèse atomique ?Clausius 1857Clausius 1857Clausius 1857Clausius 1857Maxwell 1860Maxwell 1860Maxwell 1860Maxwell 1860----66666666Gibbs 1875Gibbs 1875Gibbs 1875Gibbs 1875----78787878Boltzmann 1877Boltzmann 1877Boltzmann 1877Boltzmann 1877
Lavoisier, Dalton,Prout, Avogadro,…
Tableau de Mendeleiev : 1869
Lorentz 1890Lorentz 1890Lorentz 1890Lorentz 1890----95959595Helmholtz 1875 Helmholtz 1875 Helmholtz 1875 Helmholtz 1875 ----81818181Hertz 1883Hertz 1883Hertz 1883Hertz 1883----88888888Thomson 1897Thomson 1897Thomson 1897Thomson 1897
statistiquestatistiquestatistiquestatistique
La matière est très probablement La matière est très probablement La matière est très probablement La matière est très probablement composée de grains élémentairescomposée de grains élémentairescomposée de grains élémentairescomposée de grains élémentaires(les atomes)(les atomes)(les atomes)(les atomes)
Il existe très probablement desIl existe très probablement desIl existe très probablement desIl existe très probablement desgrains élémentaires de matièregrains élémentaires de matièregrains élémentaires de matièregrains élémentaires de matièrepossédant une charge électriquepossédant une charge électriquepossédant une charge électriquepossédant une charge électrique
DécouvertesAnomalies
VERS 1900VERS 1900VERS 1900VERS 1900
PARADIGMEPARADIGMEPARADIGMEPARADIGME
IncorporationAmélioration
Rayonnement du corps noir ?Rayonnement du corps noir ?Rayonnement du corps noir ?Rayonnement du corps noir ?
Nouveaux rayonnements : ondes/particules ?Nouveaux rayonnements : ondes/particules ?Nouveaux rayonnements : ondes/particules ?Nouveaux rayonnements : ondes/particules ?
Chaleurs spécifiques ?Chaleurs spécifiques ?Chaleurs spécifiques ?Chaleurs spécifiques ?
Expérience de Michelson et Morley ?Expérience de Michelson et Morley ?Expérience de Michelson et Morley ?Expérience de Michelson et Morley ?
Effet Photoélectrique ?Effet Photoélectrique ?Effet Photoélectrique ?Effet Photoélectrique ?
Spectres de raies ?Spectres de raies ?Spectres de raies ?Spectres de raies ?
INTERACTION LUMIÈRE INTERACTION LUMIÈRE INTERACTION LUMIÈRE INTERACTION LUMIÈRE –––– MATIÈRE ?MATIÈRE ?MATIÈRE ?MATIÈRE ?
L’ activité de recherche
RÉFLEXIONRÉFLEXIONRÉFLEXIONRÉFLEXIONTRANSMISSIONTRANSMISSIONTRANSMISSIONTRANSMISSIONDIFFUSIONDIFFUSIONDIFFUSIONDIFFUSIONABSORPTIONABSORPTIONABSORPTIONABSORPTIONEMISSIONEMISSIONEMISSIONEMISSION
INTERACTION LUMIÈRE INTERACTION LUMIÈRE INTERACTION LUMIÈRE INTERACTION LUMIÈRE –––– MATIÈREMATIÈREMATIÈREMATIÈRE
Origine Origine Origine Origine de ces comportements divers ?de ces comportements divers ?de ces comportements divers ?de ces comportements divers ?
COULEUR DES OBJETSCOULEUR DES OBJETSCOULEUR DES OBJETSCOULEUR DES OBJETS
Origine des spectres de raies ?Origine des spectres de raies ?Origine des spectres de raies ?Origine des spectres de raies ?Fraunhofer 1815, Talbot 1826,…
Un élément chimique = un spectre de flamme particulierUn élément chimique = un spectre de flamme particulierUn élément chimique = un spectre de flamme particulierUn élément chimique = un spectre de flamme particulier
Flammes colorées, de gauche à droite : violet pâle (potassium), rose fuchsia (lithium), rouge (strontium), orangé (calcium),jaune (sodium)
SPECTRES DE RAIESSPECTRES DE RAIESSPECTRES DE RAIESSPECTRES DE RAIESINTERACTION LUMIÈRE INTERACTION LUMIÈRE INTERACTION LUMIÈRE INTERACTION LUMIÈRE –––– MATIÈREMATIÈREMATIÈREMATIÈRE
Un modèle pour l’atome ?
Rayonnement thermique des corpsRayonnement thermique des corpsRayonnement thermique des corpsRayonnement thermique des corpsKirchhoff 1859, Stefan 1879, Wien 1893, Rayleigh et Jeans 1900,…Émission de lumière par un corps porté à une certaine température Émission de lumière par un corps porté à une certaine température Émission de lumière par un corps porté à une certaine température Émission de lumière par un corps porté à une certaine température
Filament incandescent
Braises
CORPS NOIRCORPS NOIRCORPS NOIRCORPS NOIR
Dans les laminoirs
La « couleur thermique » de l’objetn’est pas sa couleur habituelle. Elle est la même pour tousles objets… si on fait abstraction de leurs propriétés particulières(Kirchhoff 1859-62)
Rayonnement purement thermique de l’objet : rayonnement du corps noir : un corps « idéalisé »qui absorbe tout rayonnement incident et qui le ré-émetsous forme de rayonnement thermique : rayonnement dûseulement à la température à laquelle est porté l’objet
INTERACTION LUMIÈRE INTERACTION LUMIÈRE INTERACTION LUMIÈRE INTERACTION LUMIÈRE –––– MATIÈREMATIÈREMATIÈREMATIÈRE CORPS NOIRCORPS NOIRCORPS NOIRCORPS NOIR
Equilibre thermodynamique
Lorsque le corps noir est porté à une certaine température, commentl’énergie (l’intensité) du rayonnement thermique de ce corpsse répartit-elle entre les différentes « couleurs » émises ?
Intensité lumineuseIntensité lumineuseIntensité lumineuseIntensité lumineuse
CouleurCouleurCouleurCouleur(longueur d’onde)(longueur d’onde)(longueur d’onde)(longueur d’onde)
????????????
I (rouge)
rougebleu
I (bleu)
Température : TTempérature : TTempérature : TTempérature : T1111
TTTT2222
????????????
Spectre continu
730730730730°°°°CCCC
27272727°°°°CCCC
CORPS NOIRCORPS NOIRCORPS NOIRCORPS NOIR
Vision nocturne (infrarouge)
SoleilSoleilSoleilSoleil
COMMENT DÉDUIRE COMMENT DÉDUIRE COMMENT DÉDUIRE COMMENT DÉDUIRE LESLESLESLES COURBESCOURBESCOURBESCOURBES ���, ��DDDDU RAYONNEMENT DU CORPS NOIR U RAYONNEMENT DU CORPS NOIR U RAYONNEMENT DU CORPS NOIR U RAYONNEMENT DU CORPS NOIR
A L’AIDE DE LA THÉORIE ?A L’AIDE DE LA THÉORIE ?A L’AIDE DE LA THÉORIE ?A L’AIDE DE LA THÉORIE ?
CORPS NOIRCORPS NOIRCORPS NOIRCORPS NOIR
1896 : Wien1899 : Planck
1896-1900 : Rubens, Kurlbaum, Pringsheim, Lummer : écart significatifécart significatifécart significatifécart significatif
Principes du Calcul Classique :
EquationsEquationsEquationsEquations dededede MaxwellMaxwellMaxwellMaxwell ::::
⟹ Une particule matérielle chargée émet un rayonnementélectromagnétique lorsqu’elle est accélérée (LorentzLorentzLorentzLorentz 1880188018801880 –––– 1900190019001900))))
ESRF Grenoble
le rayonnement du corps noir prend pour origine le mouvement vibratoire des particules chargées (oscillateurs) qui constituent la paroi : elles absorbent tout rayonnement incident, quelque soit sa couleur, et le ré-émettent (pas forcément sous la même couleur) intégralement, de telle sorteque, globalement, l’équilibre thermodynamique soit réalisé.
⟹ Calcul de l’énergie (intensité) du rayonnement dans l’enceinte pour une « couleur » donnée, à l’équilibre thermodynamique.
!��, �� ∝1
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�
�, -%()&.(*+'%$��.##/0(') 1
Equations de Maxwell Equations de Maxwell Equations de Maxwell Equations de Maxwell + Thermodynamique statistique+ Thermodynamique statistique+ Thermodynamique statistique+ Thermodynamique statistique
(Amplitude de l’oscillation)2
Moyenne thermodynamiqueà calculer selon les lois en vigueur
Thermodynamique statistique Thermodynamique statistique Thermodynamique statistique Thermodynamique statistique : la répartition énergétique des oscillateurs suit une loi statistique de Bolztmann
Moyenne thermodynamiqueà calculer selon les lois en vigueur : on trouve : , -%()&.(*+'%$��.##/0(') 1∝ �
2�-� ∝ (345
énergie
Nombre d’oscillateurs
�
2�
4�
Température :
! �, � ∝6
�7� �
Catastrophe ultraCatastrophe ultraCatastrophe ultraCatastrophe ultra----violetteviolettevioletteviolette
(1900(1900(1900(1900----05)05)05)05)
Planck 19 octobre 1900
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