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Mécanique quantique

« Mécanique quantique » expliqué aux enfants par Vikidia, l’encyclopédie junior
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La mécanique quantique est un domaine de la physique qui explique comment se comportent les particules élémentaires (les électrons, les protons, …), les atomes ou les molécules, … c'est-à-dire des objets extrêmement petits dont la taille est inférieure à environ un nanomètre. Les lois de la mécanique quantique obtenues après de très nombreuses expériences avec des résultats surprenants sont très différentes de celles de mécanique classique dont nous avons l'habitude à notre échelle de tous les jours.

Historiquement par exemple Newton avait pensé que la lumière était formée de particules, puis un siècle après des expériences de diffraction de la lumière au début de 1800 ont montrè grâce à des interférences que la lumière était formée d'ondes transversales et un siècle plus tard des expériences comprises par Planck, Einstein, ont montrè que la lumière était à la fois une onde et une particule appelée photon, de façon étrange difficile à comprendre avec nos habitudes de mécanique classique usuelle..

Ensuite vers 1927 De Broglie a conduit les physiciens comme Heisenberg et Schrödinger à constater cette même propriété de dualité onde particule pour toutes les particules connues, électrons, protons, etc et pas que pour les photons lumineux, dualité aussi valable pour les très nombreuses particules découvertes après 1927, .

Une onde est similaire à une onde ou vague sur de l'eau, facile à visualiser de façon concrète, et elle est délocalisée sur la surface ou dans l'espace, contrairement à une particule objet localisée à un endroit bien défini.. Il est difficile de comprendre à notre échelle comment une telle onde vague sur l'eau peut être aussi une particule en même temps.

De fait sur l'eau de la mer on détecte ou on mesure une vague avec un bateau qui est secoué par la vague qui passe. A notre échelle tous les bateaux sont secoués par la vague qui passe.

A l'échelle microscopique de la mécanique quantique on mesure le passage d'une vague à la fois onde et particule en secouant un bateau détecteur qui détecte et même reçoit la particule onde. . Mais alors c'est très étrange, car comme ce bateau a reçu la particule-onde dans la mesure, les autres bateaux qui ne reçoivent pas la particule ne sont pas du tout secoués, car l'onde-particule a disparu dans la mesure par un seul bateau.

A notre échelle c'est étrange qu'un seul bateau soit secoué par la vague onde, mais c'est observé en mécanique quantique pour toute les particules détectées dans les détecteurs qui reçoivent les particules-ondes une par une, Si on reçoit un grand nombre de particules alors on observe leur propriétés d'ondes d'interférences avec les bateaux détecteurs secoués au hasard par chaque particule reçue, comme pour les photons des ondes de lumière.

Pour cette raison, une particule élémentaire ne se comporte pas du tout comme une petite bille, par exemple, mais de manière bien plus complexe et parfois très surprenante ! Par exemple, on ne peut pas savoir où se trouve une particule quantique, on peut seulement trouver un pourcentage de chance qu'un objet se trouve à un endroit précis. On parle alors de probabilité de présence.

Les lois de la mécanique quantique paraissent étranges même aux physiciens ! C'est en tout cas ce qu'a dit le grand physicien Richard Feynman dans son discours lorsqu'il a reçu le prix Nobel.

Malgré son étrangeté, la mécanique quantique a été vérifiée par de nombreuses expériences et avec une très grande précision. Des expériences sont encore en cours de nos jours. La mécanique quantique a permis de comprendre de nombreux phénomènes physiques et de concevoir de nouveaux instruments :

  • elle a permis par exemple de mieux comprendre les atomes et la manière dont ils émettent de la lumière, et ainsi d'inventer le laser ;
  • on a pu aussi mieux comprendre comment l'électricité circulait dans un métal puis dans des matériaux qu'on appelle semi-conducteurs. Ces matériaux sont à la base de tous les dispositifs électroniques et donc des ordinateurs, des téléphones portables
  • la mécanique quantique a également permis d'expliquer la radioactivité, qu'on a ensuite réussi à dompter pour construire les centrales nucléaires ;
  • les physiciens pensent que la mécanique quantique aura encore beaucoup d'autres applications dans le domaine des nanotechnologies.

Ondes ou particules ?[modifier | modifier le wikicode]

Albert Einstein est l'un des précurseurs de la mécanique quantique. Au début du XXe siècle, tous les physiciens étaient convaincus que la lumière était une onde comme les ondes radio, les micro-ondes, etc. Mais personne ne parvenait à expliquer l'effet photo-électrique. Einstein a montré qu'on pouvait facilement expliquer cette expérience en supposant que la lumière était constituée de grains de lumière, des particules qu'on appelle des photons. Rapidement, on a réalisé que les électrons, qu'on croyait être des particules, se comportaient comme une onde dans certaines expériences ! Alors, un électron est-il une particule ou une onde ? Le danois Niels Bohr a tranché : un électron est ce qui'il est et dans certains cas il se comporte comme une onde, dans d'autres cas comme une particule. Il n'est *pas* les deux à la fois ! Selon le type d'expérience, on observera le comportement d'une onde ou celui d'une particule.

Il y une différence importante entre une particule et une onde : une particule est un point infiniment petit qui se déplace dans l'espace alors qu'une onde remplit peu à peu l'espace. Effectivement, si on enferme un électron dans une boîte, il va peu à peu se « délocaliser » et occuper toute la boîte, un peu comme un liquide qui remplit un récipient. Mais alors où est vraiment l'électron ? Partout à la fois dans la boîte ! Si on utilise un détecteur d'électrons, on trouvera l'électron à des positions différentes à chaque fois qu'on répète l'expérience. La mécanique quantique affirme que la seule chose qu'on peut savoir sur l'électron est la probabilité de le trouver à un certain endroit. En mesurant un million de fois la position de l'électron, la mécanique quantique permet de calculer le nombre de fois qu'on trouvera l'électron à tel endroit ou à tel autre.

Pourtant une bille ou un stylo par exemple sont à des endroits bien définis. On ne les a jamais vu se comporter comme des ondes et s'écouler un peu comme un liquide ! Selon les physiciens, ce n'est pas le cas parce que ces objets sont très gros (environ dix millions de fois plus gros qu'un atome) et parce qu'ils sont en contact avec beaucoup d'autres objets (toutes les molécules d'air autour). Pour ces objets, on utilisera donc la mécanique classique et pas la mécanique quantique.

Les atomes[modifier | modifier le wikicode]

La matière est constituée d'atomes qui sont eux-mêmes composés d'électrons et d'un noyau contenant des protons et des neutrons. Avant la mécanique quantique, les physiciens pensaient qu'un atome ressemblait au système solaire. À cause de sa charge électrique, le noyau attire les électrons un peu comme le Soleil attire la Terre. Ils pensaient donc que l'atome était formé d'électrons tournant autour du noyau. La mécanique quantique a montré que cette image est fausse.

Tout d'abord, l'électron est à la fois une onde et une particule. Il ne peut donc pas tourner autour du noyau comme la Terre autour du Soleil. En fait, un atome est un peu comme une boîte. Parce qu'ils sont attirés par le noyau, les électrons peuvent difficilement sortir de cette boîte. D'après la mécanique quantique, les électrons ont tendance à remplir complètement la boîte. C'est comme si les électrons formaient une espèce de nuage autour du noyau. Mais la mécanique quantique interdit aussi à deux électrons d'occuper le même espace. Les électrons sont donc obligés de former des nuages de formes différentes qu'on appelle orbitales. Seules certaines orbitales bien particulières sont permises.

Lorsqu'on envoie de la lumière sur un atome (c'est-à-dire un photon, d'après la mécanique quantique), le photon est absorbé par un électron. Celui-ci récupère alors l'énergie du photon, ce qui lui permet de passer à une autre orbitale, plus éloignée du noyau. Toutefois, il ne peut absorber le photon que si l'énergie de ce dernier est égale à la différence d'énergie entre son orbitale initiale et son orbitale finale.

L'effet tunnel[modifier | modifier le wikicode]

Article à lire Article à lire : Effet tunnel

Imaginons qu'une personne souhaite sauter au-dessus d'un mur de trois mètres de haut. Pour y parvenir, elle court et saute une fois arrivée au pied du mur. Pour sauter plus haut, elle prend donc de l'élan, ce qu'on appelle en physique de l'énergie cinétique. Plus elle parviendra à courir vite et plus elle sautera haut. La physique classique permet de calculer la hauteur si on connait la vitesse au pied du mur. Pour une personne normale, il est impossible de sauter à trois mètres de hauteur parce qu'elle ne peut pas courir assez vite.

Avant la mécanique quantique, on pensait qu'en courant toujours à la même vitesse, on sautait toujours à la même hauteur. D'après la mécanique quantique, on saute en passant par des états virtuels au dessus du mur très peu de temps, à des hauteurs qui changent à chaque fois qu'on essaye. La plupart du temps, la personne sautera à une hauteur inférieure à trois mètres et ne franchira pas le mur. Mais la mécanique quantique affirme qu'elle essaye sous forme d'onde un très grand nombre de fois, et parfois elle a une chance de sauter plus haut que trois mètres et de passer au-dessus du mur. C'est ce qu'on appelle l'effet tunnel.

Évidemment, une personne normale devrait essayer un nombre de fois tellement grand avant d'avoir une chance de passer par effet tunnel que l'âge de l'univers ne lui suffirait pas ! En revanche, un électron a beaucoup plus de chances de passer une barrière qu'il ne pourrait pas franchir normalement, parce qu'il est bien plus petit qu'une personne. L'effet tunnel est exploité dans certains microscopes à effet tunnel. On fabrique une pointe très fine, tellement fine qu'il n'y a qu'un atome au bout de la pointe. On approche cette pointe au-dessus du métal qu'on veut étudier. La pointe ne touche pas le métal donc aucun courant électrique ne peut passer de la pointe au métal à cause de l'air ou le vide qui les sépare. Grâce à l'effet tunnel, un électron peut traverser la barrière d'air. On mesure alors un courant électrique très faible. Plus l'épaisseur de la barrière est petite et plus ce courant est fort, parce que plus d'électrons peuvent franchir le « tunnel ». En mesurant ce courant tunnel en fonction de la position de la pointe, les physiciens peuvent obtenir grâce à des ordinateurs des images atomiques de la surface des métaux. Ce genre de microscope grossit tellement qu'on voit les atomes du métal, c'est-à-dire des détails plus petit qu'un milliardième de mètre ! Ce sont les microscopes les plus puissants actuellement.

Grands noms de la mécanique quantique[modifier | modifier le wikicode]

  • Max Planck, le précurseur en 1900. Il est le premier à découvrir que l'énergie des ondes de la lumière est sous forme de paquets d'énergie proportionnelle à leur fréquence d'onde avec le facteur de proportionnalité h appelé constante de Planck, seul moyen d'expliquer le rayonnement de la lumière par la matière, sinon .le soleil rayonnerait une énergie lumineuse infinie si la mécanique classique était valable avec des énergies des ondes sans relation avec .leur fréquence.
  • Albert Einstein utilise l'hypothèse de Planck et affirme que la lumière est faite de grains de lumière, les photons.
  • Louis de Broglie (prononcer Breuil), un français qui a étendu les idées d'Einstein à l'électron sous forme d'onde et particule, ce qui a provoqué les découvertes suivantes..
  • Erwin Schrödinger, celui qui a découvert l'équation qui porte son nom, un des piliers de la physique quantique.
  • Werner Heisenberg, qui a formulé le principe d'incertitude d'Heisenberg selon lequel on ne peut connaître précisément la vitesse et la position d'une particule : plus l'on dispose d'informations précises sur la vitesse, moins l'on connaît avec précision sa position, et inversement. On peut remplacer vitesse et position par n'importe quelles propriétés de la particule.
  • Niels Bohr qui a proposé que les électrons, les protons, ... étaient à la fois des particules et des ondes.
  • Paul Dirac qui a prédit l'antimatière

Sources[modifier | modifier le wikicode]

  • Encyclopédie des sciences Larousse sur CD-ROM.
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