La physique

Modèle quantique pour le rayonnement électromagnétique


La théorie électromagnétique de Maxwell est très utile pour expliquer les phénomènes liés à la propagation du rayonnement électromagnétique. Cependant, il n'explique pas certains phénomènes qui se produisent dans l'interaction de ces rayonnements avec la matière, ni certains faits liés à l'émission.

Un exemple de cela est le spectre d'émission du corps, qui a été étudié par de nombreux scientifiques pendant un demi-siècle, car les idées de l'époque n'étaient pas cohérentes entre les prédictions théoriques et les résultats expérimentaux.

Légende:
- A: courbe obtenue à partir des résultats expérimentaux;
- B: courbe prédite par la théorie classique.

Le fait que le comportement du graphique d'intensité de rayonnement du corps noir en fonction de la longueur d'onde prédite de Maxwell soit très différent de celui obtenu à partir des données expérimentales est devenu connu au XIXe siècle comme Catastrophe violette.

En 1900, Max Planck a proposé une nouvelle théorie, qui était en conflit avec la théorie classique acceptée jusqu'ici pour résoudre le problème. Planck supposait qu'à la surface d'un corps noir, il y avait de simples oscillateurs harmoniques (OHS, représentés par des charges électriques oscillantes) capables de prendre certaines valeurs d'énergie. Mathématiquement:

Où:

n = nombre quantique;
h = constante de Planck (h = 6,63x10-34 J.s);
f = fréquence de l'oscillateur.

Chaque valeur de n représentera un état quantique différent de cet oscillateur et sera toujours un multiple de hf ce qui signifie que l'énergie de l'oscillateur est quantifiéc'est-à-dire qu'il ne peut prendre que certaines valeurs.

Selon la physique classique, un OHS peut avoir n'importe quelle valeur énergétique et ne dépend pas de la fréquence mais de l'amplitude des oscillations. Cela rend l'attitude de Planck de proposer une nouvelle théorie contraire à ces principes assez courageuse. De plus, il a proposé que les SST à la surface du corps n'émettent ou absorbent de l'énergie que lorsqu'ils se déplacent d'un état quantique à un autre.

Ainsi, si l'oscillateur passe d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau inférieur, par exemple de n = 2 à n = 1, il émet une quantité d'énergie discrète, ce qui correspond mathématiquement à la différence entre les énergies des deux niveaux. . S'il passe d'un niveau d'énergie inférieur à un niveau d'énergie supérieur, tel que de n = 1 à n = 2, il absorbe une quantité discrète d'énergie, similaire au cas précédent. Cela signifie que l'émission et l'absorption d'énergie se produisent également en quantités quantifiées.

Chaque portion d'énergie discrète était appelée quantique, qui vient du latin, dont le pluriel est combien. Pour cette raison, la théorie de Planck a gagné en popularité sous le nom de théorie quantique.

En utilisant les formulations faites par Max Planck pour la quantification de l'énergie, il a été possible d'obtenir un nouveau graphique de l'intensité du rayonnement émis par le corps en fonction de la longueur d'onde en plein accord avec les résultats expérimentaux.

Cependant, une nouvelle question préoccupait les physiciens du jour: si l'énergie n'est émise qu'en quantités bien déterminées, ce qui implique certaines longueurs d'onde et fréquences bien établies, comment le spectre du rayonnement thermique peut-il être continu? La réponse est la suivante: parce qu'il y a tellement d'oscillateurs avec des énergies différentes, la probabilité de rayonner un rayonnement de n'importe quelle fréquence est également très élevée.

Il est à noter que Planck n'a jamais prétendu que le rayonnement électromagnétique se propageait dans des quantités discrètes d'énergie. De ce point de vue, il pensait que la théorie de Maxwell était cohérente. Par conséquent, pour Planck, les oscillateurs étaient quantifiés, pas le rayonnement électromagnétique.

Il est important pour nous de savoir que l'idée de quantum, appelée plus tard photon, a été très utile pour clarifier plusieurs autres phénomènes que la physique classique ne pouvait pas expliquer correctement.