Teoria cuantica

Teoria cuantică este numele dat unei teorii fizice care încearcă să modeleze comportamentul de energie pe o scară mică , folosind Quanta (plural a termenului latin cuantumul ), cantități discrete. Cunoscut în limba engleză sub numele de „teoriei cuantice vechi“ ( teoria cuantică vechi ), introducerea sa supărat mai multe idei primite în fizica de timp, la începutul XX E secol. A servit ca o punte între fizica clasică și fizica cuantică , a cărei piatră de temelie, mecanica cuantică , s-a născut în 1925.

A fost inițiat de Max Planck în 1900, apoi dezvoltat în principal de Albert Einstein , Niels Bohr , Arnold Sommerfeld , Hendrik Anthony Kramers , Werner Heisenberg , Wolfgang Pauli și Louis de Broglie între 1905 și 1924.

Istoric

Standardul fizic în vigoare la sfârșitul al XIX - lea secol au inclus următoarele teorii:

a mecanicii newtoniene , publicat de Isaac Newton în 1687 și rafinate prin generațiile ulterioare de fizicieni în scopul mecanicii cerești .

teoria electromagnetismului , dezvoltată de James Clerk Maxwell în 1865 și reformulată de Hendrik Lorentz în 1895. Această teorie include optica undelor ca un caz special.

a termodinamicii , formalizate în anii 1850 de Rudolf Clausius , și o primă versiune a fizicii statistice : a teoriei cinetice a gazelor , dezvoltate de Maxwell și Ludwig Boltzmann .

Probleme experimentale de la sfârșitul XIX - lea secol

O serie de fapte experimentale cunoscute la sfârșitul XIX - lea secol au fost inexplicabil , în cadrul teoriei clasice. Aceste fapte experimentale discordante i-au determinat treptat pe fizicieni să propună o nouă viziune asupra lumii, fizica cuantică . Etapele majore ale acestei revoluții conceptuale au avut loc între 1900 și 1925.

Radiații ale corpului negru

Corpul negru de radiație este radiația electromagnetică produsă de un corp absorbant complet în echilibru termodinamic cu mediul său.

Imaginați-vă o cameră închisă menținută la o temperatură : un „cuptor” și străpunsă cu o gaură mică. Se consideră că pereții cuptorului sunt complet absorbanți, orice radiație inițială în afara cuptorului care pătrunde prin orificiul către interiorul incintei suferă multiple reflecții, emisii și absorbții de către pereții cuptorului pentru a realiza termalizarea completă: incinta iar conținutul său de radiații sunt în echilibru termic . Dimpotrivă, o mică parte a radiației termice din interiorul cuptorului poate scăpa definitiv din acesta, permițând în plus studiul său experimental, în special distribuția spectrală a energiei , adică volumul densității de energie, prezent prin intervalul de frecvență elementar. Termodinamica face posibilă demonstrarea faptului că caracteristicile acestei radiații nu depind de natura materialului din care sunt confecționați pereții cuptorului, ci doar de temperatura acestuia. Această radiație se numește radiație a corpului negru . $T$

La sfârșitul XIX - lea secol , teoria clasică nu a putut să explice caracteristicile experimentale ale radiațiilor corpului negru: de calcul al energiei emise teoretic tinde spre infinit , care a fost în mod evident în contradicție cu experiența. Acest dezacord a fost numit catastrofă ultravioletă și constituie unul dintre „doi nori mici pe cerul senin al fizicii teoretice” , o celebră frază rostită de Thomson - alias Lord Kelvin -27 aprilie 1900în timpul unei conferințe. În restul discursului său, Thomson a prezis o explicație rapidă a rezultatelor experimentale în cadrul teoriei clasice. Istoria l-a dovedit greșit: la doar câteva luni după prelegerea lui Thomson, Planck a venit cu o ipoteză îndrăzneață care ar aduce o revoltă radicală în peisajul fizicii teoretice.

Relația Planck-Einstein (1900-1905)

În disperare, Planck a emis ipoteza că schimburile de energie dintre radiația electromagnetică a corpului negru și materialul care constituie pereții cuptorului au fost cuantificate, adică energia este transmisă în pachete. Mai precis, pentru radiația de frecvență monocromatică , schimburile de energie ar putea avea loc numai în multipli întregi ai unei cantități minime, o cuantă de energie: $\gol$

| \ Delta E | = n \ h \ nu

unde este un întreg pozitiv și o nouă constantă universală, numită astăzi constanta lui Planck sau cuantica de acțiune . Această constantă merită: $n = 0,1,2,3, ...$ $h$

h \ aproximativ 6.626,10 ^ {{- 34}}

joule . s

Legea lui Planck pentru radiația corpului negru este scrisă:

{\ displaystyle B _ {\ lambda} (T) = {\ frac {2 {\ pi} hc ^ {2}} {\ lambda ^ {5} (e ^ {\ frac {hc} {{\ lambda} kT }} -1)}}}

$\ lambda$ fiind lungimea de undă, T temperatura în Kelvin, h constanta Planck și c viteza luminii în vid.

Ipoteza cuantice de Max Planck a fost preluat și completat de Albert Einstein în 1905 pentru a interpreta efectul fotoelectric.

Efectul fotoelectric (1905)

La sfârșitul XIX - lea secol , fizicienii rețineți că se aprinde când un metal cu o lumina, aceasta poate emite electroni.

Energia lor cinetică depinde de frecvența luminii incidente, iar numărul lor depinde de intensitatea luminii, care este dificil de înțeles în cadrul modelului de undă al luminii. În special, dacă lumina incidentă are o frecvență sub un anumit prag, nu se întâmplă nimic, chiar dacă așteptăm foarte mult timp. Acest rezultat este de neînțeles clasic, deoarece teoria lui Maxwell asociază cu undele electromagnetice o densitate a energiei proporțională cu intensitatea luminii, deci este clasic posibil să acumulăm câtă energie dorim în metal în iluminare suficient de mult și „indiferent de frecvența radiații incidente luate în considerare ". Nu ar trebui să existe un prag.

Inspirat de Planck, Einstein a propus în 1905 o simplă ipoteză care să explice fenomenul: „radiația electromagnetică este ea însăși cuantificată”, fiecare „bob de lumină” - care va fi numit foton mai târziu - purtând o cuantică de energie . Electronii care absorb fotonii dobândesc această energie; dacă este mai mare decât o energie prag fixă (care depinde doar de natura metalului), electronii pot părăsi metalul. Electronii emiși au apoi energie cinetică: $E = h \ nu$

{\ frac {1} {2}} \, m \, v ^ {2} \ = \ h \, \ nu \ - \ E _ {{prag}}

Acest articol i-a adus lui Einstein titlul de doctor în fizică teoretică în 1905 și Premiul Nobel pentru fizică în 1921 .

Stabilitatea atomilor

Două probleme grave au apărut la sfârșitul XIX - lea secol pe atomi , constând dintr - un număr de one-off electroni încărcate negativ, și un punct-ca nucleu, încărcate pozitiv:

Stabilitatea unui atom este de neînțeles în cadrul teoriei clasice. Într-adevăr, teoria lui Maxwell afirmă că orice sarcină „accelerată” radiază energie sub forma unei unde electromagnetice. Într-un model planetar clasic, electronii sunt accelerați pe orbitele lor din interiorul atomului, iar energia lor trebuie să scadă: electronii cad apoi pe nucleu. Un calcul al duratei caracteristice a acestui fenomen este de ordinul a 10 ns, prin urmare atomii clasici sunt instabili, ceea ce experiența contrazice în mod clar.

În plus, teoria clasică prezice că radiația emisă de electronul accelerat are o frecvență egală cu frecvența unghiulară a mișcării. Electronul care cade continuu pe nucleu, frecvența sa unghiulară crește continuu și ar trebui să observăm un spectru continuu. Cu toate acestea, lumina emisă de o lampă spectrală cu vapori atomici are un spectru de linie discret.

Este danez Niels Bohr , care va fi primul de a oferi un model de semi-clasic pentru a obține în jurul acestor dificultăți.

Modelul Bohr și Sommerfeld

Modelul lui Bohr (1913)

Modelul Bohr al atomului de hidrogen este un model care folosește două ingrediente foarte diferite:

o descriere a mecanicii clasice non-relativiste: electronul se învârte în jurul protonului pe o orbită circulară.
două ingrediente cuantice ad-hoc:
1. Sunt permise doar anumite orbitale circulare (cuantificare). În plus, electronul de pe orbitalul său circular nu radiază, spre deosebire de ceea ce prezice teoria lui Maxwell.
2. electronul poate trece uneori de la un orbital circular permis la un alt orbital circular permis, cu condiția să emită lumină cu o anumită frecvență, legată de diferența de energii dintre cele două orbite circulare în conformitate cu relația Planck-Einstein.

Amestecul exotic al acestor ingrediente produce rezultate spectaculoase: acordul cu experiența este într-adevăr excelent.

Îmbunătățirile lui Sommerfeld (1916)

Sommerfeld va perfecționa modelul Bohr în doi pași:

generalizarea la orbite eliptice.
tratamentul relativist al modelului orbital eliptic.

Includerea efectelor relativiste va face doar compararea cu rezultatele experimentale și mai bună.

Relațiile lui Broglie (1923)

Deși era clar că lumina prezenta o dualitate undă-particulă , Louis de Broglie a propus să generalizeze cu îndrăzneală această dualitate la toate particulele cunoscute.

În teza sa din 1923, de Broglie a asociat fiecărei particule materiale de energie o frecvență conform relației Planck-Einstein deja menționate și, un fapt nou, el a propus să asocieze cu impulsul unei particule masive non-relativiste o lungime de undă , conform la lege: $E$ $\gol$ $p = mv$ $\ lambda$

p \ = \ {\ frac {h} {\ lambda}}

Acesta a fost un alt pas revoluționar. Paul Langevin i-a cerut imediat teza lui de Broglie lui Einstein, care a declarat: „El [de Broglie] a ridicat un colț al velei principale. Caracterul de undă al electronului va primi confirmarea experimentală directă cu experimentul de difracție a electronilor de către un cristal realizat de Davisson și Germer în 1927.

Relațiile lui De Broglie pot fi, de asemenea, scrise:

\ left \ {{\ begin {matrix} E \ = \ \ hbar \ \ omega \\ {\ vec {p}} \ = \ \ hbar \ {\ vec {k}} \ end {matrix}} \ right.

în ceea ce privește frecvența unghiulară: și vectorul de undă , a cărui normă este: . $\ omega = 2 \ pi \ nu$ ${\ vec {k}}$ $k = 2 \ pi / \ lambda$

Efectul Compton (1923-1925)

De electroni , particule încărcate interacționează cu lumina, descris în mod tipic printr - un câmp electromagnetic. Cu toate acestea, fizica clasică nu poate explica variația observată a lungimii de undă a radiației în funcție de direcția de difuzie. Interpretarea corectă a acestui fapt experimental va fi dată de Compton și colaboratorii săi la sfârșitul experimentelor efectuate între 1925 și 1927.

Acest efect, numit în onoarea sa efectul Compton , este bine descris considerând șocul foton- electronic, ca un șoc între cele două particule, fotonul fiind purtătorul unui cuantum de energie și al unui cuantum de impuls . Fotonii sunt împrăștiați în direcții variabile și prezintă o variație a lungimii de undă care depinde de direcția de împrăștiere. $E = h \ nu$ ${\ vec {p}} = \ hbar {\ vec {k}}$

Note și referințe

Primul „mic nor”, după cum a spus William Thomson , a fost rezultatul negativ al experimentului Michelson-Morley , al cărui obiectiv inițial a fost să demonstreze mișcarea Pământului în raport cu eterul . Acest al doilea nor mic Einstein duce la următoarea mare revoluție a XX - lea secol : teoria relativității .
Lord Kelvin, Nori din secolul al XIX-lea peste teoria dinamică a căldurii și a luminii , Revista Philosophical din Londra, Edinburgh și Dublin și Journal of Science , seria 6 (2) (1901), 1-40.
O cuantică la singular, cuantele fără s la plural, pentru că Quanta este deja pluralul latin al cuantice
S-ar părea că alegerea literei h de către Planck nu este o coincidență: Planck a numit h „constanta auxiliară”, dar cuvântul auxiliar este tradus în germană de hilfe .
Electronul este de obicei considerat a fi „descoperit” în 1897, o dată care corespunde măsurării lui Thomson a raportului e / m al sarcinii electronului la masa sa.
Existența unui nucleu asemănător unui punct a fost demonstrată de Rutherford în 1911, prin rezultatele analizei experiențelor sub îndrumarea sa de Geiger și Marsden în Laboratorul Cavendish de la Universitatea Cambridge .

Bibliografie

Referințe istorice

Max Planck , Initiations à la physique , Flammarion (1941). Reeditat în colecția Champs 204, Flammarion (1989) ( ISBN 2-08-081204-1 ) .
Niels Bohr , Fizică atomică și cunoștințe umane , Gauthier-Villars (1961). Reeditat în colecția Folio-eseuri 157, Gallimard (1991) ( ISBN 2-07-032619-5 ) .
Werner Heisenberg , The Party & the Whole - The World of Atomic Physics , Albin Michel (1972). Reeditat în colecția Champs 215, Flammarion (1990) ( ISBN 2-08-081215-7 ) .
Louis de Broglie , La Physique nouvelle & les quanta , Flammarion (1974) ( ISBN 2-08-210196-7 ) . Reeditat în colecția Champs, Flammarion (1990) ( ISBN 2-08-081170-3 ) .
Albert Einstein și Léopold Infeld , Evoluția ideilor în fizică - de la conceptele timpurii la teoriile relativității și cuantice , (1936). Reeditat în colecția Champs, Flammarion (1983) ( ISBN 2-08-081119-3 ) .
Émile Meyerson , Realitatea și determinismul în fizica cuantică , Hermann, 1933

Sinteze moderne

Banesh Hoffman și Michel Paty, L'Étrange histoire des quanta , Collection Points-Sciences 26, Le Seuil (1981). ( ISBN 2-02-005417-5 )
Emilio Segré, Fizienii moderni și descoperirile lor - De la raze X la quarks , Fayard (1984) ( ISBN 2-213-01383-7 ) . O poveste popularizată care acoperă perioada 1895-1983. Autorul a primit (în) Premiul Nobel în 1959 pentru descoperirea experimentală a antiprotonului.
(ro) Abraham Pais, Inward Bound - Of Matter & Forces in the Physical World , Oxford University Press (1986) ( ISBN 0-19-851997-4 ) . Această istorie remarcabilă a dezvoltărilor fizicii moderne începe în 1895 odată cu descoperirea experimentală a razelor X și se încheie în 1983 cu descoperirea experimentală la CERN a bosonilor vectoriali W și Z. Autorul descrie în detaliu evoluția ideilor, sistematic. indicând referințele publicațiilor originale.
Georges Gamow, Treizeci de ani care scutură fizica (Istoria teoriei cuantice) , 1968. Reeditat de Jacques Gabay (2000) ( ISBN 2-87647-135-3 ) .
Stéphane Deligeorges (ed.), Le Monde quantique , Collection Points-Sciences 46, Le Seuil (1984). ( ISBN 2-02-008908-4 )
Emile Noël (ed.), La Matière Today , Collection Points-Sciences 24, Le Seuil (1981). ( ISBN 2-02-005739-5 )
Étienne Klein, Petit Voyage dans le monde des quanta , Collection Champs 557, Flammarion (2004). ( ISBN 2-08-080063-9 )
José Leite-Lopes și Bruno Escoubès, Sursele și evoluția fizicii cuantice - Textele fondatoare , Masson (1995) ( ISBN 2-225-84607-3 ) . Retipărit de EDP Sciences. Oferă o imagine de ansamblu a evoluției ideilor, XIX - lea lea până în 1993, iar traducerea în franceză a unor articole seminale.
(ro) BL van der Waerden (ed.), Surse de mecanică cuantică , Dover Publications, Inc. (1967) ( ISBN 0-486-61881-1 ) . Acest volum reunește câteva dintre articolele de pionierat din 1916 până în 1926.
Bernard Cagnac și Jean-Claude Pebay-Peyroula, Fizica atomică - Volumul 1: Experimente și principii fundamentale , Dunod (1975). ( ISBN 2-04-002555-3 ) . Această carte descrie cu precizie și în detaliu următoarele aspecte experimentale: efectul fotoelectric , spectrele optice, experimentul Franck și Hertz , efectul Compton , emisia și absorbția fotonilor, laserul , dualitatea undelor. -Corp , modele atomice planetare, precum și multe aspecte ale magnetismului orbital și magnetismului spinului , inclusiv experimentul Stern și Gerlach .

Articole similare