fete science oct 2014 -...

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


LES ONDES INTERFÈRENT ENTRE ELLESLES ONDES INTERFÈRENT ENTRE ELLESLES ONDES INTERFÈRENT ENTRE ELLESLES ONDES INTERFÈRENT ENTRE ELLES


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


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


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


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


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


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


Vision nocturne (infrarouge)

2000200020002000°°°°CCCC


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 ?


1896 : Wien1899 : Planck

1896-1900 : Rubens, Kurlbaum, Pringsheim, Lummer : écart significatifécart significatifécart significatifécart significatif

1896 : Wien1899 : Planck

Rayleigh : juin 1900

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

#$%&'(')*+$%*(

�

�, -%()&.(*+'%$��.##/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

énergie

Nombre d’oscillateurs

�

2�

4�

Température :

�� 2��3 ��

4 �� Etc…

Planck décembre 1900

= formule de Planckformule de Planckformule de Planckformule de Planck

1990

fete science oct 2014 -...

Documents

Transcript of fete science oct 2014 -...