Introduction
La physique atomique est une science du monde de l’infiniment petit où les lois dites classiques, qui gouvernent notre quotidien macroscopique, ne s’appliquent pas. Pour mieux comprendre comment des lois décrivant le comportement de ce monde microscopique ont été établies, on fait un bref historique sur certains faits expérimentaux qui ont bouleversé les scientifiques vers la fin du XIXe siècle parce qu’ils n’ont pas pu être décrits en se basant sur les théories classiques : la mécanique de Newton, la thermodynamique ou l’électromagnétisme; en particulier : l’émission d’un rayonnement électromagnétique par la matière et l’éjection d’électrons par la matière soumise à l’action d’un rayonnement ; et qui ont permis d’élaborer de nouvelles idées en physique.
1 ) Matière
La matière est une substance composée de grains élémentaires : atomes et possédant une masse. Sa nature est corpusculaire puisqu’elle est constituée de particules parfaitement localisables dans l’espace et dans le temps ; les variables dynamiques étant la position r(t) et la vitesse v(t).
2 ) Rayonnement
Le rayonnement est une énergie qui se propage dans l’espace sans support matériel et qui interagit avec la matière. Son caractère principal est donc ondulatoire . On parle de Rayonnement Électromagnétique (REM) lorsque le rayonnement se comporte comme un champ de forces dont les variations affectent les propriétés électriques et magnétiques de la matière; la lumière étant la partie visible du REM. Les variables dynamiques sont représentées par deux vecteurs reliés par les équations de Maxwell: champ électrique E et champ magnétique B. Le REM est une onde transversale, c’est-à-dire que E et B sont orthogonaux entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation définie par le vecteur d’onde K, dans un milieu isotrope.
L’étude de cette émission est complexe, puisqu’elle fait intervenir à la fois des phénomènes thermique (température) et ondulatoire (fréquence). C’ est pourquoi on modélise le rayonnement en utilisant la notion du corps noir. L’expression ‘’ corps noir ’’ fait référence à tout objet ‘’idéal ou théorique’’ parfaitement noir, ce qui signifie qu’il absorbe la totalité du rayonnement qu’il reçoit. Il ne réfléchit et ne transmet donc aucune radiation. Il émet en outre un rayonnement caractéristique qui ne dépend que de la température.
À l’équilibre thermodynamique, la quantité d'énergie qu'il rayonne est égale à celle qu'il reçoit. Un bon modèle pour un corps noir est une enceinte (four par exemple) aux parois totalement noires dans laquelle est pratiqué un petit orifice. Porté à une température donnée T, le corps noir émet un rayonnement (spectre d'émission) de densité d’énergie élémentaire ρ T (ν), que l’on peut analyser en fréquence. Le spectre d’émission obtenu expérimentalement a l’allure d’une courbe en cloche.
À partir de ces hypothèses, Planck a dérivé la loi suivante : Cette loi décrit exactement le spectre d’émission expérimental. On peut remarquer que :
* si h ν << kT , on retrouve la loi de Rayleigh - Jeans;
* si h ν >> kT, on retrouve la 2 ème loi de Wien
C’est Albert Einstein qui, en 1905, donne une explication théorique à l’effet photo-électrique. Il émet le postulat suivant, inspiré de l’idée de quanta proposé par Planck : « le rayonnement incident est constitué de paquets d’énergie appelés photons ; l’énergie d’un photon est : ε = hν ».
L’énergie reçue par un électron de la surface d’un métal est donc égale à ε . La conservation d’énergie implique que ε est égale au travail d’extraction W e de l’électron de la cathode, plus l’énergie cinétique E c de cette électron une fois éjecté. Ce qui s’écrit :
La physique atomique est une science du monde de l’infiniment petit où les lois dites classiques, qui gouvernent notre quotidien macroscopique, ne s’appliquent pas. Pour mieux comprendre comment des lois décrivant le comportement de ce monde microscopique ont été établies, on fait un bref historique sur certains faits expérimentaux qui ont bouleversé les scientifiques vers la fin du XIXe siècle parce qu’ils n’ont pas pu être décrits en se basant sur les théories classiques : la mécanique de Newton, la thermodynamique ou l’électromagnétisme; en particulier : l’émission d’un rayonnement électromagnétique par la matière et l’éjection d’électrons par la matière soumise à l’action d’un rayonnement ; et qui ont permis d’élaborer de nouvelles idées en physique.
Définitions
À l’échelle macroscopique, on peut distinguer deux catégories d’objets : la matière et le rayonnement (lumière par exemple).1 ) Matière
La matière est une substance composée de grains élémentaires : atomes et possédant une masse. Sa nature est corpusculaire puisqu’elle est constituée de particules parfaitement localisables dans l’espace et dans le temps ; les variables dynamiques étant la position r(t) et la vitesse v(t).
2 ) Rayonnement
Le rayonnement est une énergie qui se propage dans l’espace sans support matériel et qui interagit avec la matière. Son caractère principal est donc ondulatoire . On parle de Rayonnement Électromagnétique (REM) lorsque le rayonnement se comporte comme un champ de forces dont les variations affectent les propriétés électriques et magnétiques de la matière; la lumière étant la partie visible du REM. Les variables dynamiques sont représentées par deux vecteurs reliés par les équations de Maxwell: champ électrique E et champ magnétique B. Le REM est une onde transversale, c’est-à-dire que E et B sont orthogonaux entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation définie par le vecteur d’onde K, dans un milieu isotrope.
Spectre continu du Corps noir
Il est bien connu que tout corps dont la température est supérieure à zéro absolu (0 K) émet un rayonnement électromagnétique de fréquences situées en général dans l’infrarouge et dans le spectre visible.L’étude de cette émission est complexe, puisqu’elle fait intervenir à la fois des phénomènes thermique (température) et ondulatoire (fréquence). C’ est pourquoi on modélise le rayonnement en utilisant la notion du corps noir. L’expression ‘’ corps noir ’’ fait référence à tout objet ‘’idéal ou théorique’’ parfaitement noir, ce qui signifie qu’il absorbe la totalité du rayonnement qu’il reçoit. Il ne réfléchit et ne transmet donc aucune radiation. Il émet en outre un rayonnement caractéristique qui ne dépend que de la température.
À l’équilibre thermodynamique, la quantité d'énergie qu'il rayonne est égale à celle qu'il reçoit. Un bon modèle pour un corps noir est une enceinte (four par exemple) aux parois totalement noires dans laquelle est pratiqué un petit orifice. Porté à une température donnée T, le corps noir émet un rayonnement (spectre d'émission) de densité d’énergie élémentaire ρ T (ν), que l’on peut analyser en fréquence. Le spectre d’émission obtenu expérimentalement a l’allure d’une courbe en cloche.
Loi de Planck - Quantification
En 1900, Planck a montré qu’il est possible d’établir une expression théorique de ρ T (ν) concordant avec l’expérience, à condition de supposer que : - les oscillateurs qui composent la surface du corps noir émettent non pas d’une façon continue, mais par paquets d’énergie, appelés : quanta ; - un quantum transporte une énergie égale à : ε = hν , h est dite constante de Planck : h =6,625 10 - 34 Js ; ν est la fréquence d’un oscillateur.À partir de ces hypothèses, Planck a dérivé la loi suivante : Cette loi décrit exactement le spectre d’émission expérimental. On peut remarquer que :
* si h ν << kT , on retrouve la loi de Rayleigh - Jeans;
* si h ν >> kT, on retrouve la 2 ème loi de Wien
Effet Photoélectrique - Postulat d’Einstein
Il consiste en l’émission d’électrons par un métal (alcalin en général) soumis à l’action d’un rayonnement électromagnétique de fréquence convenable. C’est un effet découvert par Heinrich Hertz en 1887.
Expérience d'effet photoélectrique
L’énergie reçue par un électron de la surface d’un métal est donc égale à ε . La conservation d’énergie implique que ε est égale au travail d’extraction W e de l’électron de la cathode, plus l’énergie cinétique E c de cette électron une fois éjecté. Ce qui s’écrit :
