jeudi 31 octobre 2013

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 !

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 une particule et une onde, les deux à la fois ! C'est effectivement ce que semblent dire les équations… 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.
( source : vikidia )

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