MÉCANIQUE QUANTIQUE INTRODUCTION La mécanique quantique est une théorie élaborée au début du XXe siècle pour rendre compte des résultats expérimentaux, de plus en plus nombreux, que la physique traditionnelle était incapable de prévoir et d'expliquer.

« 2 2 Planck arriva au bon résultat en imaginant que l'énergie émise à une fréquence donnée ne pouvait qu'être un multiple entier d'un quantum d'énergie, proportionnel à la fréquence émise.

La constante de proportionnalité est ce que l'on appelle maintenant la « constante de Planck », universellement notée h et dont la valeur est environ 6x10 -34 joule seconde.

La fréquence de la lumière visible étant de l'ordre de 10 15 hertz, les quanta d'énergie ainsi introduits ont une valeur d'environ 10 -19 joules (il y a dix neuf zéros après la virgule lorsqu'on écrit le nombre normalement), c'est-à-dire qu'un petit Insecte pesant 1 milligramme qui s'élève de 1 millimètre par rapport au sol fournit une énergie égale à cent milliards de ces quanta d'énergie.

Planck lui-même ne croyait pas à la réalité des quanta, et a qualifié leur utilisation d'acte de désespoir, destiné à obtenir coûte que coûte le bon résultat. L'effet photoélectrique et les photons En 1905, Albert Einstein franchit un pas supplémentaire pour expliquer l'effet photoélectrique.

Hertz avait remarqué qu'un morceau de métal soumis à un rayonnement ultraviolet acquiert une charge électrique, et Thomson avait montré que cette charge vient de ce que les électrons sont arrachés du métal : c'est l'effet photoélectrique.

Mais on constate que de la lumière à fréquence trop basse est incapable d'arracher le moindre électron, quelle que soit l'intensité du rayonnement utilisé.

Pour expliquer cet effet, Einstein fit l'hypothèse que la lumière est constituée de particules, appelées photons qui ont une énergie égale à hf, où h est la constante de Planck et f la fréquence du rayonnement .

Pour expliquer l'effet photoélectrique, il suffit de considérer qu'un atome ne peut absorber qu'un photon à la fois: lorsque la fréquence est trop basse, l'énergie gagnée par l'atome est insuffisante pour arracher l'électron.

Ses contemporains auraient bien voulu faire dire à Einstein qu'il s'agissait ici encore d'une astuce de calcul, mais il croyait à l'existence des photons et leur attribua même une quantité de mouvement, ce qui est le propre des particules.

La réalité de ces particules est démontrée dans ce que l'on appelle l'effet Compton (1923), qui étudie la collision entre un électron et un photon, exactement comme on décrirait la collision de deux billes. La dualité onde particule La lumière présente ainsi un double aspect.

Les expériences d'interférences ou de diffraction s'interprètent parfaitement en considérant que la lumière est une onde, tandis que pour expliquer certaines autres, comme le rayonnement du corps noir, l'effet Compton, ou l'effet photoélectrique, il faut considérer que la lumière est constituée de particules.

En fait la lumière se manifeste sous l'un ou l'autre de ses deux aspects, particule ou onde, mais jamais sous les deux à la fois.

Dans une expérience où un faisceau lumineux passe par deux petits trous, on observe des franges d'interférence sur la partie de l'écran où arrive de la lumière en provenance des deux trous.

Dès que l'on tente de placer des compteurs pour savoir par quel trou sont passés les photons, la figure d'interférence disparaît.

Toute une génération de physiciens, et non des moindres, a tenté d'imaginer une expérience, fût-elle irréalisable, qui permettrait de voir une figure d'interférences tout en sachant par où sont passés les photons, mais nul n'y est parvenu.. »