Quantum

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Un quantum est une unité de mesure, comme le mètre ou le litre, qui permet de mesurer une certaine quantité d'énergie. Son nom vient du latin quantum et signifie « combien ? » (pluriel : quanta).

Le quantum est une notion utilisée en physique à l'échelle des atomes et de leurs constituants, qu'on appelle particules élémentaires. C'est donc du domaine de l'infiniment petit.

Pour comprendre à quoi ils servent, prenons un exemple : Fred va à la gare car il doit prendre le train dans une heure. En attendant, il a un petit creux et décide de casser la croûte. Il se dirige donc vers le distributeur. Il sort une pièce d'un euro qu'il insère dans la machine. En échange, la machine laisse tomber un paquet de gâteaux. Fred a donc échangé un euro contre un paquet de gâteaux.

Maintenant, revenons aux atomes.

Disons que l'atome représente le distributeur. Prenons aussi un quantum d'énergie qui représente un euro. Si on prend un quantum d'énergie et qu'on le fournit à l'atome, c'est comme quand on prend une pièce d'un euro et qu'on l'insère dans le distributeur. Maintenant, l'atome pourra fournir en échange un photon radio, qui est l'une des particules élémentaires de l'atome, comme le distributeur laissera tomber un paquet de gâteaux. Pour 2 quanta, on obtiendra 2 photons radio ou 1 photon infrarouge (plus énergétique). Pour 2 euros, on obtiendra 2 paquets de gâteaux ou une boisson énergétique.

Dans cette image ou analogie simplifiée la quantité minimale que le distributeur peut échanger est un quantum ou quanta de 1 €. Il n'est pas possible d"échanger moins. Le distributeur de gâteaux est quantifié en quanta de 1€, jamais moins.

L'étude des quanta en physique est identique à l'étude ou l'utilisation de la mécanique quantique.

En effet Max Planck en 1900 a découvert que les échanges d'énergie de la lumière avec la matière, absorption ou émission sont quantifiés en quanta de Max Planck. de façon similaire au distributeur de gâteaux quantifié en quantas de 1€, les échanges d'énergies sont quantifiés en quanta d'énergie d'autant plus grands que leur Fréquence rayonnée est grande.

C'est un peu différent, car c'est plutôt des quantas en € qui grandissent d'autant plus que les grains du gâteau sont petits ( haute Fréquence est équivalent à petite Longueur d'onde ). Aussi étrange que la Mécanique quantique.

Théorie des quanta, propriétés fondamentales détaillées

Si la mécanique classique macroscopique avec les Lois du mouvement de Newton était valable pour les Atomes du Soleil, on calculait en Thermodynamique statistique ou en physique statistique établie par James Clerk Maxwell et Boltzmann vers 1865 que le soleil rayonnerait une énergie lumineuse infinie dans le cadre de la physique classique inventée par Isaac Newton en 1680.

On appelle cela la "catastrophe ultraviolette".

En 1900, Max Planck réussit à résoudre ce problème du spectre en énergie rayonné par toute source lumineuse, avec l'explication sous forme d'astuce mathématiques du rayonnement du corps noir (corps parfait absorbant) et de tout objet émettant des ondes électromagnétiques, infrarouges d'un radiateur chaud ou lumineuses comme le soleil.

Il découvrit que l'échange d'énergie entre la matière et la lumière ne peut se faire que par des petits paquets appelés quanta (pluriel de quantum en latin).

En limitant les valeurs d'énergie échangées à des paquets quanta d'énergie proportionnelle à la Fréquence rayonnée, on réduit le nombre excessif de possibilités d'énergie échangées, de sorte que le soleil rayonne une valeur finie d'énergie, en accord avec les mesures expérimentales.

En mécanique classique, pour une fréquence donnée, les échanges d'énergies peuvent être de n'importe quelle valeur et la sommation sur toutes les possibilités d'énergie donne une énergie sans limite infinie à grande fréquence.

Notre univers ne peut pas exister dans le cadre de la mécanique classique observée à notre échelle macroscopique (Lois du mouvement de Newton).

Au contraire avec la quantification des quantas, plus la fréquence est élevée, plus les quantas sont énergétiques, donc moins nombreux, très limités en nombre comme pour les Rayon X ou rayons gammas nucléaires de très grande énergie et donc l'énergie rayonnée à grande énergie diminue au lieu de devenir infinie sans limite dans la mécanique classique de Isaac Newton.

Ainsi, Planck, en limitant les échanges d'Énergie à des multiples de h fois la fréquence (nombre d'oscillations par secondes de l'onde ou vague ), obtint une énergie rayonnée finie et l'accord avec les expériences détermina la Constante de Planck h qui est universelle, la même pour tous les phénomènes quantiques et partout dans l'univers.

Il calcula la quantité d'énergie des quanta en introduisant la constante h, appelée constante de Planck, qui est universelle. Cette hypothèse était révolutionnaire, mais indispensable pour expliquer les expériences. C'est le début de ce qui deviendra la physique quantique. Donc en résumé l'énergie est aussi une fréquence.