Mécanique quantique
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 sont très différentes de celles dont nous avons l'habitude. 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 ?
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
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
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 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 que si elle essaye un très grand nombre de fois, 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. 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 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, les physiciens peuvent obtenir grâce à des ordinateurs des images 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
- Max Planck, le précurseur. Il est le premier à supposer que l'énergie de lumière est sous forme de paquets.
- 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.
- 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'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.
- 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
- Encyclopédie des sciences Larousse sur CD-ROM.
|
|
|
