Introduction

Jusqu’au XXXème siècle, la matière n’intéressait pas les physiciens. Cette science était réservée aux chimistes parmi lesquels nous retrouvons

 

 

L’Encyclopedia Britannica publiée en 1771 considérait que les atomes étaient les plus petits corps naturels indivisibles, des minima minimorum naturae.
Or depuis DémocriteDémocrite d`Abdère - Babelio
on avait déjà remarqué que certains atomes ou plutôt certaines molécules étaient structurées et présentaient des formes variées et qu’aucunes d’elles ne pouvaient se transformer en une autre. L’or et le plomb pouvaient bien s’amalgamer mais il était toujours possible de les séparer par l’action de la chaleur.

Cette définition était donc incomplète et suscita l’intérêt des chercheurs.

 

les célèbres Avogadro,Gay-Lussac, Boyle et tant d’autres.

 

En 1874 Jacobus van ‘t Hoff

Jacobus Henricus van 't Hoff — Wikipédia
Jacobus van ‘t Hoff

et indépendamment de lui Joseph Le Bel

Joseph Le Bel

découvraient que la stéréochimie expliquait les isomères des molécules organiques. v proposa une classification des éléments selon leur masse atomique mais il ne put expliquer les relations entre classes d’éléments. Il faudra attendre quelques générations pour découvrir les propriétés électriques des atomes et leur architecture. En 1874 Jacobus van ‘t Hoff et indépendamment de lui
Joseph Le Bel découvraient que la stéréochimie expliquait les isomères des molécules organiques.

La découverte de l’électron

En 1897, THOMSON découvre l’électron au cours d’une expérience de rayons cathodiques et se rend compte que le rapport charge/masse était de 1011 cb/kg. Il en déduit que les particules chargées de l’atome responsable des raies spectrales, sont des électrons. En collaboration avec Lord KELVIN, il tente alors d’élaborer un modèle d’atome à base d’électrons : un atome consisterait en plusieurs électrons (appelons ce nombre d’électrons Z), au sein d’un nuage de charges positives. Ce nuage, lourd, constituerait l’essentiel de la masse de l’électron. La charge de ce nuage serait Ze, neutralisant ainsi celle des électrons, -Ze, et donnant lieu à ce que l’on appelle un atome, par définition neutre.

Les électrons sont “perturbés”, c’est-à-dire qu’ils vibrent autour de leur position d’équilibre, et émettent de la lumière ainsi de la lumière (rappelons que seules les particules chargées qui sont en accélération, peuvent émettre de l’énergie, ici sous forme lumineuse). Cependant si le modèle de THOMSON prédit bien une émission de lumière dont la longueur d’onde est du même ordre de grandeur que celle effectivement observée ; il ne permet cependant pas d’expliquer les raies spectrales, celles de H par exemple qui ne devrait comporter qu’une raie spectrale dans l’UV lointain.

Joseph John « JJ ». Thomson, est né à Manchester, Angleterre le 18 décembre 1856 et mort à Cambridge, Angleterre le 30 août 1940. Il était un scientifique britannique, découvreur de l’électron, des isotopes et inventeur du spectromètre de masse.

 Le Thomson ( Th ) a été créé comme unité de mesure de charge de masse en spectrométrie de masse, en l’honneur de Joseph Thomson. 

Principales réalisations et mérites atteints 

  • Il a reçu le prix Nobel de physique en 1906.
  • Il a été fait chevalier en 1908.
  • En 1912, il a été nommé avec l’Ordre du mérite.
  • En 1884, il fut élu membre de la Royal Society et en fut le président de 1916 à 1920.
  • Il a reçu les médailles Royal et Hughes en 1894 et 1902.
  • En 1914, il reçut la médaille Copley.
  • En 1902, il reçut la médaille Hodgkins ( Smithsonian Institute, Washington ).
  • En 1923, il reçut la médaille Franklin et la médaille Scott à Philadelphie.
  • En 1927, il reçoit la médaille Mascart à Paris.
  • En 1931, il reçut la médaille Dalton ( Manchester ).
  • En 1938, il a reçu la médaille Faraday de l’Institut des ingénieurs civils.  

 L’atome de Rutherford (1911)

Ernest Rutherford — Wikipédia

En 1911, le physicien RUTHERFORD détermine l’existence du noyau atomique. Il émet l’hypothèse que tous les atomes sont constitués d’un noyau dense chargé positivement autour duquel tournent, comme les planètes autour du Soleil, des électrons chargés négativement.

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Or la théorie électromagnétique classique développée par le physicien britannique James MAXWELL prédit sans équivoque qu’un électron tournant autour du noyau rayonne continuellement de l’énergie électromagnétique à cause de son accélération jusqu’à épuisement total de son énergie. Ainsi, d’après la théorie classique, l’atome décrit par RUTHERFORD serait instable…ce qui est bien contraire à ce que nous observons tous les jours, la matière ne s’en va pas brusquement en fumée! Ce modèle bien que simple, est en fait très loin de la réalité

James Maxwell

James Maxwell

La lumière et le photon

Le photon
Le photoncnrs.fr
  Magie quantique : un photon pourrait-il se couper en deux ?
Rétrospective – 2012, grand millésime pour la physique des particules | 24 heures24heures.ch
Magie quantique : un photon pourrait-il se couper en deux ?futura-sciences.com
  
Pour le français René Descartes (1596-1650),René Descartes (1596-1650) - philosophe: Les méditations - La Culture de A  à Z la lumière était composée de particules. La lumière ondulatoire a été introduite en 1690 par le néerlandais
Christian Huygens (1629-1695), qui a eu l’intuition que la lumière se propageait comme des vagues dans un milieu qu’il a appelé l’éther. L’anglais
 Isaac Newton (1643-1727)Isaac Newton — Wikipédiacroyait que la lumière était constituée de particules et au début du 19è siècle, le français 
Augustin Fresnel (1788-1827),
à l’origine de l’optique moderne, propose une explication à tous les phénomènes optiques dans le cadre de la théorie ondulatoire de la lumière. Au cours du 19è siècle on accepte que la lumière est bien un phénomène ondulatoire à la suite d’expériences probantes. A la fin du 19è, l’écossais James Clerk Maxwell (1831-1879) en un seul ensemble d’équations, les équations de Maxwell, unifie les phénomènes lumineux, l’électricité, le magnétisme et l’induction. C’est à l’époque le modèle le plus unifié de l’électromagnétisme. Les équations de maxwell décrivent parfaitement la lumière ondulatoire mais elles se propagent toujours dans un milieu appelé l’éther.
 Max Planck explique que la lumière et la matière échangent l’énergie sous forme de quanta discrets d’énergie (E=hv). A la fin du 19è siècle, deux physiciens,
 Albert Abraham Michelson (1852-1931)Albert A. Michelson - Wikipedia
et Edward Williams Morley (1838-1923)Edward Morley — Wikipédia
ont cherché à déterminer ce flux de l’éther, en mesurant la vitesse de la lumière entre deux directions perpendiculaires à deux périodes distinctes de l’année. Ils s’attendaient à mesurer des variations de cette vitesse mais le résultat fut surprenant, tous les rayons de lumière avaient la même vitesse. En 1905, Albert Einstein trouve qu’il y a une incompatibilité entre les équations de maxwell et les hypothèses de Planck. Il fallait des petits grains (particules) de lumière pour que les hypothèses de Planck soient correctes. Le concept de grains de photon fut difficilement admis par l’ensemble des physiciens jusqu’à ce que l’américain
 Robert Andrews Millikan (1868-1953)Robert Andrews Millikan — Wikipédia
apporte des preuves expérimentales irréfutables en 1915, en accord parfait avec la description corpusculaire proposée par Einstein.
Ces ondes ressemblant à des corpuscules, vont trouver une explication dans la physique quantique à venir.

La théorie de Maxwell prévoyait que :

  • l’énergie d’une onde lumineuse dépend seulement de l’amplitude de l’onde, mais pas de sa fréquence.
  • la vitesse de la lumière est indépendante de la vitesse d’un observateur par rapport à la source qui émet la lumière, ce qui ce qui est incompatible avec les lois de la mécanique classique newtonienne.

Des problèmes restaient à résoudre comme :

  • la catastrophe ultraviolette lors du chauffage d’un corps noir (solide parfait),
    La catastrophe ultraviolette , également appelée catastrophe de Rayleigh-Jeans , était la prédiction de la physique classique de la fin du 19e siècle / début du 20e siècle qu’un corps noir idéal [Un corps noir ou corps noir est un corps physique idéalisé qui absorbe tous les rayonnements électromagnétiques incidents , indépendamment de la fréquence ou de l’ angle d’incidence . Le nom de «corps noir» est donné parce qu’il absorbe le rayonnement dans toutes les fréquences, pas parce qu’il absorbe seulement : un corps noir peut émettre un rayonnement de corps noir . Au contraire, un corps blanc est un corps avec une «surface rugueuse qui réfléchit tous les rayons incidents complètement et uniformément dans toutes les directions» ]à l’ équilibre thermique émettra un rayonnement dans toutes les gammes de fréquences, émettant plus d’énergie à mesure que la fréquence augmente. En calculant la quantité totale d’énergie rayonnée (c’est-à-dire la somme des émissions dans toutes les plages de fréquences), il peut être démontré qu’un corps noir est susceptible de libérer une quantité d’énergie arbitrairement élevée. Cela ferait que toute matière rayonne instantanément toute son énergie jusqu’à ce qu’elle soit proche du zéro absolu – indiquant qu’un nouveau modèle pour le comportement des corps noirs était nécessaire.
  • l’effet photoélectrique [ est provoqué par l’absorption complète du photon, i.e. il communique toute son énergie au système ]caractérisé par l’éjection d’électrons de certains métaux lorsqu’ils sont éclairés,
  • le spectre atomique, caractérisé par l’absorption ou l’émission de certaines longueurs d’ondes, mais pas d’autres.

C’est la découverte du photon, qui provient d’un champ électromagnétique et qui représente une quantification de ce champ qui résolut le problème !

L’atome de Bohr (1913)

Niels Bohr — Wikipédia
 Niels BOHR

Cette lacune amène le physicien danois Niels BOHR à postuler en 1913, que la théorie classique n’est plus valable pour un atome et que les électrons se déplacent sur des orbites placées à des distances déterminées du noyau. Il s’appuie donc sur la mécanique classique à laquelle on adjoint le principe de quantification. Cependant, la mécanique quantique n’est pas aussi facile et l’image donnée par Bohr est pour fausse malgré qu’elle ait l’avantage de donner un modèle simple et facile à comprendre.

En effet, pour Bohr, les électrons décrivent un cercle de rayon r autour du noyau, et par conséquent, la vitesse de cet électron est constante. Mais ceci serait valable pour tout r, ce qui voudrait dire que toutes les orbites sont possibles et par conséquent toutes les énergies aussi, ce qui est contraire à l’expérience.

   

La mécanique quantique

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Les acteurs

De gauche à droite, Roentgen, 1895 – Becquerel, 1896 – Rutherford, 1903 –
Thomson, 1907 – Planck

La fin du XIXeme siècle fut marquée la découverte des rayons X (Roentgen, 1895) ainsi que de la radioactivité naturelle (Becquerel, 1896). En 1903, les physiciens anglais Ernest Rutherford et Frederick Soddy découvrirent que la radioactivité naturelle était une transmutation d’un atome dans un autre. Ainsi, les atomes radioactifs pouvaient émettre des particules positives (rayonnement Alpha, un noyau d’hélium), négatives (rayonnement Beta, des électrons) ou des ondes de très courtes longueurs d’ondes (rayons Gamma). Mais il restait à localiser les composantes du rayonnement Alfa et en corollaire celles du noyau. Quatre ans
plus tard, J.J.Thomson proposa un modèle atomique dans lequel les charges négatives – les électrons – étaient distribués dans une matrice chargée positivement. Pour respecter la neutralité de la matière, les électrons devaient avoir exactement les mêmes valeurs que les charges positives.

Max Planck

Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, duché de Schleswig – mort le 4 octobre 1947 à Göttingen, Allemagne) est un physicien allemand. Il est lauréat du prix Nobel de physique de 1918 pour ses travaux en théorie des quanta. Il a reçu la médaille Lorentz en 1927 et le prix Goethe en 1945. C’est l’un des fondateurs de la mécanique quantique.
Travaillant à formuler avec exactitude le second principe de la thermodynamique, Planck s’intéresse dès 1894 au rayonnement électromagnétique du corps noir. Il adopte les méthodes statistiques de Boltzmann.

Albert Einstein

L’idée de photons surgit au début du 20è siècle alors que Max Planck réfléchissait au rayonnement émis par les objets lorsqu’on les chauffe.
Crédit image : Max Planck en 1901. Archives fédérales allemandes (Deutsches Bundesarchiv) .

Passionné par la thermodynamique, l’électromagnétisme et la physique statistique, Planck s’éloigne du modèle atomiste des gaz de Maxwell et Boltzmann et il opte pour l’hypothèse de la matière continue mais finira, sans vraiment l’accepter, par se rallier malgré tout à l’atomisme dès 1890.
Le rayonnement électromagnétique du corps noir est l’un des problèmes à résoudre et Planck membre de l’Académie royale des sciences et des lettres de Berlin y travaille dès 1894.
En 1899, il introduit la constante de Planck h (voir nota), et la constante de Boltzmann (k) en même temps que la notion des quanta.
En octobre 1900, il détermine la loi de répartition spectrale du rayonnement thermique du corps noir, et présente sa découverte à la société de physique de Berlin. C’est la naissance de la théorie des quanta, qu’il n’approfondira pas. C’est Albert Einstein qui s’en chargera. Max Planck sera, l’un des premiers soutiens d’Einstein.

La théorie ondulatoire de la lumière prédisait qu’il devait y avoir beaucoup plus de rayonnement émis à très courtes longueurs d’onde et donc une quantité d’énergie beaucoup plus élevée que ce qui était observé. Planck émet alors une étonnante idée, sans en maitriser l’interprétation. La lumière serait émise par paquets discrets, ou quanta (pluriel de quantum) et un quantum de lumière d’une longueur d’onde donnée possèderait une énergie donnée (E=hν). En d’autres termes, il faut stocker une certaine quantité d’énergie, un quantum, avant d’émettre de la lumière de courte longueur d’onde.

L’idée de Planck a permis d’expliquer pourquoi il y avait bien moins de rayonnement à courte longueur d’onde que ce que la théorie prévoyait.
Cette relation entre énergie et longueur d’onde est géniale, c’est un concept clé de la mécanique quantique et de la théorie des champs. Plus tard cette relation sera même étendue aux particules massives.
En 1912 il est nommé secrétaire perpétuel du comité de physique.
En 1913, il est nommé recteur de l’université de Berlin.
En 1918, il reçoit le prix Nobel de physique pour sa découverte des quanta d’énergie.
En 1921, il est lauréat de la médaille Liebig.
En 1927 il reçoit la médaille Franklin pour sa notion de quantum d’énergie et en 1929 la médaille Copley.
La « médaille Max-Planck » de physique est créée, elle lui sera conjointement attribuée avec Einstein en 1929.
En 1930, Planck est président de la société Kaiser Wilhelm Gesellschaft, en l’honneur du kaiser Guillaume qui deviendra après la Seconde Guerre mondiale la Société Max-Planck, l’une des grandes institutions de la recherche allemande.
Planck publia plusieurs ouvrages, le Principe de la conservation de l’énergie (1887), le Précis de thermochimie (1893), le Cours sur la théorie du rayonnement thermique (1906), un Cours de thermodynamique en 9 éditions entre 1897 et 1930.

En 1899, il introduit la constante de Planck (h) et la constante de Boltzmann (k) en même temps que la notion des quanta.
Max Planck est mort le 4 octobre 1947 à Göttingen, dans la Bizone en Allemagne.

nota : La constante de Planck h, est utilisée pour décrire la taille des quanta. Cette constante joue un rôle central dans la mécanique quantique, elle relie notamment l’énergie d’un photon (E) à sa fréquence ν (lettre grecque nu) : E=hν, formule qu’il a exposée le 14 décembre 1900. h permet de limiter l’excitation des oscillateurs qu’il utilise. À l’époque, cette formule n’est considérée que comme un artifice de calcul mathématique. C’est Albert Einstein qui va développer la quantification en étudiant l’effet photoélectrique.


et Einstein

Planck, Boltzmann ou Sommerfeld pensent bien sûr que les phénomènes naturels et en particulier la loi d’entropie ne pouvait être réduite à des phénomènes purement mécaniques.
Ces recherches se termineront avec la célèbre thèse de doctorat d’Einstein en 1906.

On savait alors que le rayon de l’atome d’hydrogène oscillait entre 1 et 2×10-8 cm et l’on estima le nombred’Avogadro N à 6.02 x 1023 molécules par mole. Peu de temps après la publication de cette formule, Einstein établit une correspondance entre le mouvement brownien isolé et la diffusion d’un ensemble de particules. Einstein voulait ignorer les détails des phénomènes de collisions et traita la diffusion comme un processus de Markov. Sa théorie sera appliquée avec succès dans tous les domaines exploitant les propriétés d’élasticité, de viscosité et d’écoulement de la matière, en bref la rhéologie. Son travail touchera l’industrie du bâtiment (le ciment), la météorologie (les aérosols) ainsi que les secteurs touchant à la minéralogie et la chimie alimentaire.

Les Ondes

A côté de la détermination de la dimension des molécules, les physiciens étaient également préoccupés de savoir comment le mouvement se transmettait dans la matière.
Les physiciens savaient depuis longtemps, en fait depuis qu’ils avaient observé un morceau de bois flotté à la surface de l’eau, qu’une onde ne consistait pas en un déplacement de la matière mais bien à un mouvement dans celle-ci.

On démontre ce principe quotidiennement par de nombreux mobiles, dont celui des billes suspendues en contact les unes avec les autres présenté ci-dessous.

 

Quinze pendules simples découplés de longueurs de plus en plus monotones dansent ensemble pour produire des ondes visuelles progressives, des ondes stationnaires, des battements et des mouvements aléatoires. 
(Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations)


La dualité onde-corpuscule


De BROGLIE Louis Victor


DAVISSON JosephGERMER Lester Halbert

Que les atomes soient constitués de particules, soit, mais il restait encore des phénomènes inexplicables. Comme les ondes électromagnétiques ont des caractéristiques de particules, le physicien français De BROGLIE Louis Victor suggère, en 1924, que les particules pourraient aussi, dans certains cas, montrer des propriétés d’ondes. Quelques années plus tard, cette prédiction fut vérifiée expérimentalement par les physiciens américains DAVISSON JosephGERMER Lester Halbert et le Britannique THOMSON George Paget. Ils montrèrent qu’un faisceau d’électrons dispersés par un cristal génère une diffraction caractéristique d’une onde.

L’équation d’onde de Schrödinger

La notion ondulatoire de la particule permet au physicien australienSchrödinger Erwin de développer une équation dite équation d’onde pour décrire les propriétés ondulatoires de la particule et, plus particulièrement, le comportement de l’électron dans l’atome d’hydrogène :

Equation de Schrödinger
La Formulation moderne de l’équation de
Schrödinger

L’équation d’onde de Schrödinger présente quelques solutions discrètes seulement, ces solutions sont des expressions mathématiques dont les paramètres représentent les nombres quantiques. (Les nombres quantiques sont des entiers introduits dans la physique des particules pour exprimer la grandeur de certaines quantités caractéristiques des particules ou des systèmes). Les solutions de l’équation de Schrödinger indiquent aussi que les quatre nombres quantiques de deux électrons ne peuvent pas occuper le même état énergétique. Cette règle, déjà établie empiriquement par le physicien suisse PAULI Wolfgang, en 1925, est appelée principe d’exclusion.


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