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CouvPocheIndispensables
J'ai créé ce blog lors de la sortie de mon livre "Les Indispensables mathématiques et physiques pour tous", Odile Jacob, avril 2006 ; livre republié en poche en octobre 2011 (achat en ligne) (sommaire du livre).
Je développe dans ce blog des notions de mathématiques et de physique à destination du plus large public possible, en essayant de susciter questions et discussion: n'hésitez pas à laisser vos commentaires!

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Indispensables astronomiques

Nouveauté octobre 2013, mon livre "Les Indispensables astronomiques et astrophysiques pour tous" est sorti en poche, 9,5€ (éditions Odile Jacob, éidtion originale 2009). Comme mon premier livre (Les Indispensables mathématiques et physiques), c'est un livre de notions de base illustrées avec des exemples concrets, s'appuyant sur les mathématiques (géométrie notamment) pour l'astronomie, et sur la physique pour l'astrophysique. Je recommande vivement sa lecture.

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25 juin 2006 7 25 /06 /juin /2006 19:32

A propos de la naissance de la mécanique quantique, on connaît les articles fondateurs de Planck en 1900 et d’Einstein en 1905 pour expliquer le " rayonnement du corps noir ". Planck émet l’idée que les atomes au sein du corps noir occupent des niveaux d’énergie discontinus hν, 2hν, 3hν : il introduit la fameuse constante de Planck h à la base de cette discontinuité, et la formule de Planck E = hν la base de cette discontinuité, et la formule de Planck E = hν. Einstein émet dans son premier article de mars 1905 " Sur un point de vue heuristique concernant et l’émission et la production de lumière " l’hypothèse que cette discontinuité pourrait être intrinsèque à la lumière et non simplement liée aux niveaux d’énergie : c’est l’hypothèse d’un caractère corpusculaire de la lumière, alors que depuis les fentes de Young (1803) on croyait la lumière purement ondulatoire ! (voir livre p. 187 –194)

On parle moins de l’article de 1917 d’Einstein " Sur la théorie quantique du rayonnement ". Entre 1905 et 1916 en effet, Einstein travaille uniquement sur la relativité restreinte puis générale. Estimant que son travail sur la relativité générale avec la vérification de l’avance du périhélie de Mercure était suffisant (septembre 1916), Einstein se remet au travail sur la mécanique quantique.

Entretemps il y avait eu l’importante analyse de Niels Bohr, confirmée par l’expérience de Franck et Herz, sur la " quantification de la matière ", à savoir le fait qu’un électron dans un atome occupe des niveaux d’énergie et donc des orbites données, sans pouvoir descendre en-dessous d’une certaine orbite (modèle de l’atome de Bohr).

C’est Einstein qui reprend le travail sur la lumière, et dans son article de 1917 il donne les équations modélisant le corps noir, faisant la synthèse entre 1) ses premiers travaux et ceux de Planck (1900-1905) 2) les travaux de mécanique statistique de Boltzmann 3) les travaux de Bohr sur la " quantification de la matière ". Le seul moyen de résoudre les équations du corps noir est d’introduire la notion d’ " émission stimulée ". Nous sommes donc en présence de trois phénomènes distincts au sein du corps noir :

1) l’absorption stimulée (par un photon incident) : l’électron de l’atome passe au niveau d’énergie supérieur (en haut sur l’image, l’absorption n’y est pas représentée)

Emission stimulée2) l’émission spontanée au bout d’une certaine durée où l’électron est au niveau supérieur, l’atome se désexcite, et l’électron revient au niveau d’énergie inférieur

3) l’émission stimulée (par un photon incident) : l’atome se désexcite – l’électron revient au niveau d’énergie inférieur – en émettant un photon dans la même direction que le photon incident.

Dans l’émission spontanée, le photon peut être émis dans n’importe quelle direction (figure). Dans l’émission stimulée, on reconnaît (figure) deux photons dans la même direction, le photon incident et le photon émis (cohérence lumineuse).

La résolution théorique complète du problème du corps noir permet donc 1) de découvrir le phénomène d’émission stimulée ; 2) de confirmer l’intuition de 1905 d’Einstein du quantum de lumière, qui se voit affecter d’une quantité de mouvement p = hν/c, où hν est la fréquence de transition entre les deux niveaux d’énergie. En appliquant les résultats de Bohr à l’émission stimulée, Einstein met en évidence une quantité de mouvement du " quantum de lumière ", ce qui est un indice supplémentaire du caractère corpusculaire de la lumière, le " quantum  de lumière " sera mis en évidence expérimentale et baptisé photon en 1926.

 

Cette intervention d’Einstein pour la deuxième fois dans la mécanique quantique conduit à son prix Nobel en 1921. La découverte de l’émission stimulée (et la résolution du problème du corps noir montre qu’elle est beaucoup plus fréquente que l’émission spontanée) conduit au laser (lecture de CD, DVD, lasers médicaux): LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

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commentaires

TOPIN 04/05/2015 20:51

je ne comprend pas X)

Alexandre Moatti 13/07/2006 17:44

(Réponse de J.L. Basdevant, professeur de physique quantique à l'X )Alexandre,Très bonne question, mais il faut se méfier de Feynman lorsqu'ildit qu'il ne comprend pas quelque chose!En fait, en mécanique quantique, un électron dans un atome (disons non excité par simplicité) passe son temps à émettre et réabsorber des photons. Pourquoi émet-il ces photons? Car toute charge accélérée rayonne. C'est une conséquence imparable et merveilleuse des équations de Maxwell (les ondes radio proviennent des courants alternatifs dans les antennes d'émission).Or l'électron, dans un atome non excité, a une vitesse nulle en moyenne, mais pas de façon permanente à cause des relations d'incertitude de Heisenberg. Il "passe donc son temps à changer de vitesse" et à rayonner, ce qui quantiquement veut dire émettre des photons. Mais il doit réabsorber ces photons ("réceptionner" ce rayonnement) car sinon il y aurait non conservation de l'énergie. Pendant un temps ∆t il peut émettre ainsi, puis réabsorber, un photon "virtuel" d'énergie ∆E telle que ∆E x ∆t = h soit un temps ∆t = h /∆ECet effet est fondamental et sa conséquence est mesurable dans la structure fine du spectre des atomes. C'est le célèbre "Déplacement de Lamb" des niveaux atomiques, où calculs théoriques et mesures expérimentales sont en accord à 10-12 ou 10-13 près ("records du monde" de l'accord théorie-expérience)Les choses se passent de même façon dans un atome excité, à cela près, que l'électron a, en plus de la possibilité de réabsorber le photon, la possibilité de l'émettre en retombant dans l'état d'énergie inférieur, ce qui permet la conservation de l'énergie. Cela s'appelle la désexcitation radiative de l'atome. Si l'énergie d'excitation était très élevée (cela se passe dans les noyaux atomiques) il pourrait émettre une paire de particules formée d'un électron et d'un antiélectron (énergie totale de l'ordre de 1 MeV). Tout ça est effectivement vrai pour le rayonnement gamma des noyaux, et la désintégration de particules "élémentaires" (systèmes de quarks). C'est identiquement ce qu'on appelle l'émission spontanée.Jean-Louis Basdevant

Alexandre Moatti 04/07/2006 23:45

Je n'ai pas la réponse. J'y réfléchis, je cherche.Cette question "D'où vient le photon?" ne se pose sans doute pas que pour l'émission stimulée, mais aussi l'émission spontanée, le rayonnement gamma.

Benjamin Bradu 03/07/2006 15:01

Bonjour,
Je viens de lire une conférence de Richard Feynman intitulée "Qu'est-ce que la Science? " de 1966 et il pose une question en exemple où il ne peut répondre. Je m'étais déjà posé cette question lors d'un cours de mécanique quantique et je me demande si désormais, une réponse plus "claire" existe. Voici cette question formulée par un non-scientifique en rapport avec l'émission stimulée :
"D'après ce que je sais, un atome émet de la lumière quand il passe d'un état excité à un état de moindre énergie, et la lumière c'est une sorte de particule, un photon. Donc si l'atome en état excité peut émettre un photon , cela veut dire que l'atome possédait déjà à l'avance ce photon ?"
Je sais bien que l'atome "perd" une quantité d'énergie (égale à hν) sous forme de photon mais comment celui-ci est créé puisque en principe ce photon n'existe pas avant ??
Cette question me fait penser aux particules qui se créent et se désintègrent spontanément dans le phénomène de fluctuation du vide quantique.
Bref, si vous pouvez m'éclaircir sur ce phénomène je suis preneur..

Alexandre Moatti 26/06/2006 08:59

Oui vous avez raison, puisque le prix Nobel est spécifiquement attribué pour des découvertes (et cette notion n'est plus aussi claire après 1900), c'est bien l'effet photoélectrique, et "sa contribution aux travaux de physique théorique" que choisissent les jurys Nobel pour couronner Einstein.
Bien évidemment les travaux de 1917 que je décris sont en droite ligne des travaux de 1905 sur l'effet photoélectrique et contribuent, je pense, au prix. La nouvelle physique quantique de 1900 attend d'ailleurs longtemps ses premier prix Nobel: Planck en 1919, Einstein en 1921, Bohr en 1922.
J'ai aussi choisi de mettre en lumière cet article de 1917 pour montrer justement le caractère ténu de la différence entre théorique/expérimental: en 1905, l'explication de l'effet photoélectrique apparaît comme un sujet pratique; en 1917 la résolution du sujet du corps noir et la découverte de l'émission stimulée apparaissent comme un sujet de physique théorique. Or neuf ans plus tard le phton est caractérisé de manière expérimentale cette fois-ci, et par ailleurs l'émission stimulée, par une suite d'étapes, donne naissance au laser.
Concernant Einstein et la mécanique quantique, il s'oppose plus tard (congrès Solvay 1927) non à la physique quantique elle-même, mais à l'interprétation qu'en font Bohr et Heisenberg, notamment sur la description de la réalité. Mais Einstein continue à contribuer à la physique quantique, comme vous le précisez, de 1905 à 1935 (paradoxe EPR).
Enfin, je partage votre avis sur l'utilisation abusive du mot "croire" en sciences, comme s'il y avait là une quelconque religion!

Benjamin Bradu 25/06/2006 23:41

On dit souvent qu'Einstein n'était pas un fervent partisan de la mécanique quantique, son intime conviction étant que la statistique ne pouvait rentrer en compte dans la nature, et pourtant il y a contribué ! C'est en ce sens que je trouve que la Science est belle : On peut être amené à montrer des phénomènes auxquels on ne croit pas. Après tout, qui peut vraiment "croire", ou plutot comprendre, la physique quantique bien qu'elle ai fait ses preuves et qu'elle n'est plus à démontrer ??
Sinon concernant le prix Nobel d'Einstein, ce n'était pas à propos de l'effet photoélectrique (c'est à dire l'émission d'un électron lorsqu'un matériaux , souvent métallique, est bombardé de photons )?

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