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Introduction à la mécanique quantique

Nadia Bragagnolo
Lisibilité
8.92

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Découvre la mécanique quantique, son histoire et évolution, ainsi que comment nous l’utilisons actuellement.

La mécanique quantique peut sembler fort impressionnante. Pourtant, on retire beaucoup de plaisir à en apprendre sur ce sujet! Elle permet de se dégourdir le cerveau et d’améliorer sa pensée critique. La mécanique quantique ne se limite pas aux labos de physique de haute technologie. Les applications de mécanique quantique sont partout autour de nous. Jusque dans l’appareil que tu utilises pour lire cet article!

Qu’est-ce donc que la mécanique quantique?

En gros, la mécanique quantique est l’étude du comportement et des interactions des particules atomiques.

Tu connais sans doute la mécanique classique, comme les trois lois du mouvement de Newton. La mécanique classique permet aux scientifiques de faire des prédictions très précises pour les objets que tu peux voir à l'oeil nu. Mais ces prédictions ne fonctionnent pas aussi bien pour des objets minuscules.

C’est là qu’entre en jeu la mécanique quantique. Elle décrit les lois de l’énergie à l’échelle des atomes. La meilleure façon de bien comprendre la mécanique quantique passe par l’histoire de ses principales découvertes.

Une brève histoire de la mécanique quantique

1900 : Planck et le quantum

Au tournant du vingtième siècle, bon nombre de physiciens pensaient qu’il ne restait rien à découvrir dans leur domaine. Cependant, il restait un gros problème à régler. Cela concernait les objets chauds.

Pense à ton grille-pain ou à une surface de cuisson. Lorsque leurs éléments s’échauffent, ils deviennent rouges. Si on en augmente encore plus la température, leur couleur virera au blanc. Cette variation de couleurs avec la température est la même pour tous les objets, peu importe le matériel.

Au début, les scientifiques se servaient de la physique classique pour essayer de comprendre cette variation. Selon leurs modèles, un objet chaud devrait émettre une lumière qui est, pour l’essentiel, dans la gamme de fréquences ultraviolettes.

Le spectre électromagnétique
<p>Spectre des ondes électromagnétiques. Les rayons gamma à haute énergie sont à l'extrême gauche et les ondes radio à faible énergie sont à l'extrême droite (Parlons sciences en tuilisant une image de Inductiveload [CC BY-SA 3.0] via <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EM_Spectrum_Properties_reflected.svg">Wikimedia Commons</a>).</p>

 

Par contre, leurs expériences montraient que presque aucun rayonnement ultraviolet n’était émis! Ce problème était connu sous le nom de catastrophe ultraviolette. Le mystère a été résolu par Max Planck, un physicien théoricien allemand. On dit souvent de lui qu’il est le père de la mécanique quantique. 

Planck a mis au point une nouvelle formule mathématique pour les fréquences d’énergie lumineuse émise par un objet chaud. Il a démontré que les objets chauds émettaient une fréquence de couleur rouge. Et qu’un objet encore plus chaud émettait des fréquences de toutes les couleurs visibles, ce qui le fait paraître blanc. Plus important encore, la formule de Planck prédisait qu’aucune fréquence ultraviolette ne serait émise. Cela correspondait parfaitement à la preuve expérimentale!

 La formule de Planck fonctionnait grâce à une notion clé. Avant Planck, les scientifiques croyaient que l’énergie se mesurait sur une échelle continue. Ils pensaient qu’un objet pouvait avoir une valeur énergétique sur cette échelle. L’hypothèse radicale de Planck était que, au niveau subatomique, les objets chauds ne pouvaient émettre de l’énergie qu’en petite unité ou « paquets ». Il appelait ces paquets des quanta (au singulier, on dit un quantum). Planck affirmait que la quantité d’énergie dans un quantum augmentait avec sa fréquence. Une faible fréquence, comme la lumière rouge, a moins d’énergie qu’une haute fréquence, comme celle de la lumière blanche.

Cependant, Planck ne pouvait pas expliquer les raisons pour lesquelles l’énergie était quantifiée de cette façon. Dans une lettre envoyée à un collègue, il écrit que cette hypothèse mathématique avait été un « acte de désespoir ». C’est Niels Bohr qui, 13 ans plus tard, trouverait la réponse.

1905 : Einstein et le photon

Avant Bohr, la théorie des quanta a permis de régler un autre problème dans le monde de la physique – l’effet photoélectrique. C’est l’observation selon laquelle une lumière projetée sur une surface métallique peut provoquer l’éjection d’électrons de ce métal.

Effet photoélectrique
<p><span>Effet photoélectrique (Parlons sciences en utilisant une image de Wolfmankurd [CC BY-SA] via </span><a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Photoelectric_effect.svg"><span>Wikimedia Commons</span></a><span>).</span></p>

 

Cette vidéo de Aksel Rekaya explique la découverte de l'effet photoélectrique par Einstein (1 min 25 s).

 

La mécanique classique décrit la lumière comme une onde. La hauteur d’une onde est appelée son amplitude. On pourrait s’attendre à ce qu’une onde ayant une forte amplitude puisse pousser les électrons hors d’une surface avec plus d’énergie. Le temps entre chaque crête d’onde est appelée sa fréquence. On pourrait s’attendre à ce que des ondes ayant une fréquence plus élevée frappent et éjectent davantage d’électrons hors d’une surface.

Pourtant, comme pour la plupart des expériences quantiques, on a observé une chose inattendue. Lorsque le métal est exposé à la lumière, une amplitude supérieure provoque l’éjection d’un nombre plus grand d’électrons. Et une lumière à plus forte fréquence entraîne l’éjection d’électrons avec plus d’énergie. Ces deux observations sont à l’opposé des prédictions de la mécanique classique, qui ne pouvait pas expliquer un tel phénomène!

 

Prédictions de la mécanique classique

Observations quantiques

Amplitude plus élevée

Plus grande énergie

Amplitude plus élevée

Plus d’électrons éjectés

Fréquence plus élevée

Plus d’électrons éjectés

Fréquence plus élevée

Plus grande énergie

 

Mais comment l’expliquer? Albert Einstein, le célèbre physicien allemand, a élaboré une théorie. Il a appliqué l’explication quantique de Planck à la lumière. Il a émis l’hypothèse que la lumière se comportait parfois comme des paquets d’énergie électromagnétique. Il a appelé ces paquets des photons.

Le savais-tu?

Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921 non pas pour la théorie de la relativité, mais pour les « services rendus à la physique théorique, plus particulièrement sa découverte de la loi de l’effet photoélectrique ».

Si un rayon de lumière a une plus grande amplitude, cela signifie qu’il contient plus de photons. Si un plus grand nombre de photons frappent la surface métallique, il y aura plus de collisions, donc un plus grand nombre d’électrons seront éjectés.

L’énergie d’un photon dépend seulement de sa fréquence. C’est comme les quanta d’énergie de Planck. Une lumière à forte fréquence transférera plus d’énergie aux électrons, ce qu’on observe expérimentalement.

1913 : Bohr et les orbitales électroniques

La théorie des quanta gagnait en popularité. Mais ce n’était encore qu’une explication mathématique pour quelques observations étranges. Personne n’arrivait à comprendre pourquoi l’énergie venait sous forme de paquets distincts. Du moins, jusqu’à Neils Bohr. En 1913, le physicien danois a proposé un nouveau modèle pour la structure de l’atome.

Avant Bohr, les scientifiques savaient qu’un atome était composé d’un noyau chargé positivement entouré d’électrons en orbite chargés négativement. Bohr a révolutionné ce modèle. Il a affirmé que ces électrons devaient circuler selon un ensemble de trajectoires précises. Ces trajectoires étaient à l’image des planètes en orbite autour du Soleil. Il les a appelés orbitales électroniques. Un niveau d’énergie est associé à chaque orbitale.

Lorsqu’un électron absorbe suffisamment d’énergie, il « bondit » de son orbitale jusqu’à la prochaine orbitale de plus grand diamètre. Lorsqu’un électron « chute » de son orbitale vers une orbitale plus petite, il émet de l’énergie. La quantité d’énergie émise correspond exactement à la différence énergétique entre deux orbitales. C’est pourquoi l’énergie existe en valeurs distinctes, comme les « quanta », plutôt que sur une échelle continue.

 

Modèle de Bohr qui montre un électron qui saute à un niveau d’énergie supérieure et qui chute à un niveau d’énergie inférieur
<p><span>Modèle de Bohr qui montre un électron qui saute à un niveau d’énergie supérieure et qui chute à un niveau d’énergie inférieur (&copy;2020Parlons sciences).&nbsp;</span></p>

 

L’énergie quantifiée vue par Planck correspondait au rayonnement électromagnétique émis par les électrons dans les objets chauds. Les photons d’Einstein, quant à eux, transfèrent leur énergie aux électrons dans le métal. Si l’énergie du photon devient suffisamment élevée, l’électron quittera son orbitale et lâchera entièrement le métal. Donc, les orbitales électroniques de Bohr fournissent une explication théorique à la mécanique quantique.

La mécanique quantique de nos jours

Planck, Einstein, Bohr (et bien d’autres) ont reçu des prix Nobel de physique pour leurs travaux en mécanique quantique. Mais s’ils étaient vivants aujourd’hui, ils trouveraient le monde méconnaissable. Et ça, grâce à leurs découvertes!

Le savais-tu?

C’est de la théorie quantique que vient l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Cette technologie permet aux médecins de prendre des images à l’intérieur du corps.

Les ordinateurs fonctionnent grâce à la mécanique quantique. Mais comment? Grâce aux transistors.

Carte-mère d’un ordinateur qui montre l’emplacement des transistors
<p><span>Carte-mère d’un ordinateur qui montre l’emplacement des transistors (Source: </span><a href="https://www.istockphoto.com/ca/portfolio/karakedi35?mediatype=photography"><span>Neziha Kalı Ertuğrul</span></a><span> via </span><a href="https://www.istockphoto.com/ca/photo/motherboard-with-microprocessor-microchip-gm1125125048-295647402"><span>iStockphoto</span></a><span>).</span></p>

 

Les transistors sont de minuscules composants électroniques à l’intérieur d’un ordinateur qui stockent des bribes d’information. Lorsqu’un transistor est mis en marche, le courant circule et l’ordinateur détecte la valeur « 1 ». Lorsqu’un transistor est en mode arrêt, le courant ne circule plus et l’ordinateur interprète cela comme la valeur « 0 ». Le langage utilisé par les ordinateurs est composé de 1 et de 0. Les transistors sont allumés ou fermés pour encoder l’information.

Quel est le lien avec la mécanique quantique? Eh bien, les transistors sont constitués d’une matière qui est un semi-conducteur.

Cette vidéo (26 min 7 s., idéalement débuter le visionnement à 10 min 22 s) de C'est pas sorcier présente, entre autres, comment fonctionnent les transistors miniaturisés dans les ordinateurs, qui sont faits de semiconducteurs.

 

La mécanique quantique nous dit qu’un électron peut seulement occuper certains niveaux d’énergie. Si on observe un vaste groupe d’électrons, comme ceux que l’on trouve dans les semi-conducteurs, ces niveaux correspondent à des « bandes » ou des variations de valeurs énergétiques permises.

Si le semi-conducteur est raccordé à une tension électrique qui se trouve dans la bande d’énergie, il est conducteur d’électricité. Lorsqu’il est raccordé à une tension électrique en dehors de la bande d’énergie permise, il n’est pas conducteur d’électricité. Il agit comme matériau isolant. C’est de cette façon que les transistors sont ouverts ou fermés, ce que l’ordinateur interprète comme une valeur 1 ou 0.

Le savais-tu?

Le silicium (silicon en anglais) est le matériau semi-conducteur le plus couramment utilisé pour les transistors d’ordinateur. Il a donné son nom à la célèbre Silicon Valley. Cette région de la Californie est considérée comme un grand centre d’innovation technologique.

On appelle numérique l’utilisation d’un code binaire composé de 1 et de 0. Presque tous les appareils numériques que tu connais utilisent des transistors semi-conducteurs. L’ordinateur, le cellulaire et même le téléviseur! Imagine le monde sans ces appareils ou même sans Internet. C’est ce que serait le monde sans la mécanique quantique.

Amorces de discussion

Faire des liens

  • Que connais-tu de la mécanique quantique?
  • Peux-tu nommer un dispositif/équipement/appareil ayant besoin de transistors pour fonctionner?

Faire des liens

  • Que connais-tu de la mécanique quantique?
  • Peux-tu nommer un dispositif/équipement/appareil ayant besoin de transistors pour fonctionner?

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • Quelle a été l’influence du domaine de la mécanique quantique sur la technologie?
  • Max Planck et Albert Einstein étaient des physiciens théoriciens. Pourquoi l’étude de la physique théorique est-elle importante?

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • Quelle a été l’influence du domaine de la mécanique quantique sur la technologie?
  • Max Planck et Albert Einstein étaient des physiciens théoriciens. Pourquoi l’étude de la physique théorique est-elle importante?

Explorer les concepts

  • Quelle est la différence entre la mécanique classique et la mécanique quantique?
  • D’où vient le nom de mécanique quantique?
  • Quel est le lien entre les travaux de Neils Bohr et les théories de Planck et Einstein?
  • Qu’est-ce qu’un transistor et comment encode-t-il l’information?

Explorer les concepts

  • Quelle est la différence entre la mécanique classique et la mécanique quantique?
  • D’où vient le nom de mécanique quantique?
  • Quel est le lien entre les travaux de Neils Bohr et les théories de Planck et Einstein?
  • Qu’est-ce qu’un transistor et comment encode-t-il l’information?

Nature de la science et de la technologie

  • En quoi l’histoire de la physique quantique mentionnée dans cet article permet-elle d’illustrer le caractère dynamique (qui évolue et change constamment) de la science?

Nature de la science et de la technologie

  • En quoi l’histoire de la physique quantique mentionnée dans cet article permet-elle d’illustrer le caractère dynamique (qui évolue et change constamment) de la science?

Littératie médiatique

  • As-tu déjà vu des films sur Max Planck, Albert Einstein ou Neils Bohr? Lequel de ces scientifiques est plus présent dans les médias? Comment pourrais-tu l’expliquer?

Littératie médiatique

  • As-tu déjà vu des films sur Max Planck, Albert Einstein ou Neils Bohr? Lequel de ces scientifiques est plus présent dans les médias? Comment pourrais-tu l’expliquer?

Suggestions pour l'enseignement

  • Cet article appuie l’enseignement et l’apprentissage de notions en physique se rapportant à la physique moderne et à la physique quantique. Les concepts abordés comprennent les quanta, l’effet photoélectrique, l’amplitude, la fréquence, Albert Einstein, Neils Bohr et les semi-conducteurs.
  • Pour bien faire la synthèse de l’information dans cet article, les élèves pourraient utiliser une stratégie d’apprentissage Six questions2. Une fiche reproductible prête à l’emploi est accessible en format [Google doc] et [PDF].
  • Après la lecture de cet article, les enseignants et enseignantes pourraient demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Créez votre propre frise chronologique pour tracer les grandes lignes de l’évolution de la mécanique quantique présentée dans cet article. Une fiche reproductible prête à l’emploi Créez votre propre frise chronologique est accessible pour cet article en format [Google doc] et [PDF].

Suggestions pour l'enseignement

  • Cet article appuie l’enseignement et l’apprentissage de notions en physique se rapportant à la physique moderne et à la physique quantique. Les concepts abordés comprennent les quanta, l’effet photoélectrique, l’amplitude, la fréquence, Albert Einstein, Neils Bohr et les semi-conducteurs.
  • Pour bien faire la synthèse de l’information dans cet article, les élèves pourraient utiliser une stratégie d’apprentissage Six questions2. Une fiche reproductible prête à l’emploi est accessible en format [Google doc] et [PDF].
  • Après la lecture de cet article, les enseignants et enseignantes pourraient demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Créez votre propre frise chronologique pour tracer les grandes lignes de l’évolution de la mécanique quantique présentée dans cet article. Une fiche reproductible prête à l’emploi Créez votre propre frise chronologique est accessible pour cet article en format [Google doc] et [PDF].

En savoir plus

La physique Quantique en 10 min. (2016)
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Comment Fonctionne un Processeur? - Les transistors - HS #02
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Références

Biercuk, M. (2011, May 15). Explainer: Quantum physics. The Conversation.

The Editors of the Encyclopedia Britannica. (2016). De Broglie wave.

The Editors of Encyclopedia Britannica. (2019). Semiconductor.

The Editors of Encyclopedia Britannica. (2020). Bohr model.

George, A., A. (2014, February 11). Classical mechanics vs quantum mechanics. ClearIAS.

Helmenstine, A. M. (2020, January 27). Bohr model of the atom - Overview and examples. ThoughtCo.

High School Physics Explained. (2016, June 18). Black bodies and Planck explained. 

IFLScience. (n.d.). Schrödinger's cat: Explained.

Khan Academy. (n.d.). Photoelectric effect (article).

Matson, J. (2010, November 2). What is quantum mechanics good for? Scientific American.

The Nobel Prize. (2020). All nobel prizes in physics.

Orzel, C. (2018, December 4). Three ways quantum physics affects your daily life. Forbes.