LES LIMITES DE LA MECANIQUE CLASSIQUE
01
02
L'effet photoelectrique
LE RAYONNEMENT DU CORPS NOIR
LA LUMIERE
Albert Einstein
Isaac Newton
Christian Huygens
Le rayonnement du corps noir
La catastrophe ultraviolette
La formule de Planck
Définition
En 1900, Rayleigh proposa d'analyser les propriétés d'absorption et d'émission à l'intérieur du corps noir en le modélisant par un ensemble d'oscillateurs harmoniques pouvant absorber ou émettre la lumière pour toutes les fréquences du rayonnement.Son analyse, basée sur la thermodynamique classique conduisit à la formule suivante, corrigée par Sir James Jeans, qui porte le nom de loi de Rayleigh - Jeans : où U est la densité d'énergie émise par unité de longueur d'onde, k est la constante de Boltzmann et T la température absolue. La loi de Rayleigh - Jeans ne permet de rendre compte de l'émission du corps noir qu'aux grandes longueurs d'onde (faibles fréquences). Pour des longueurs d'onde inférieures, elle fait apparaître une divergence par rapport à la distribution expérimentale. Cette divergence est appelée "catastrophe ultra-violette".
Lord Rayleigh
Sir James Hopwood Jeans
En 1900, Max Planck proposa une solution permettant de résoudre le problème posé par la catastrophe UV et de décrire complètement et de manière satisfaisante l'ensemble du spectre du corps noir. Le point central de la solution de Planck est que l'échange d'énergie entre le rayonnement et la matière est discontinu. La plus petite quantité d'énergie ϵ (le quantum d'énergie) échangée par un rayonnement de fréquence ν est liée à cette fréquence par la relation : La constante h fut proposée comme nouvelle constante universelle. Sa dimension est celle d'une action (une énergie fois un temps). Les déterminations expérimentales ultérieures de h conduisent à la valeur : La quantification de l'échange d'énergie entre matière et rayonnement apparut à l'époque comme une révolution. Elle ouvrit la voie à de nombreuses études fondamentales qui allaient aboutir à l'émergence d'une nouvelle théorie conciliant les aspects corpusculaires et ondulatoires pour décrire tout à la fois les particules et la lumière : la mécanique quantique.
Max Planck
Les caractéristiques principales révélées par l'expérience sont les suivantes : Il n'a lieu que pour une fréquence du rayonnement ν supérieure à une fréquence limite ν0. En dessous de cette fréquence seuil, l'effet photoélectrique ne se produit pas quelle que soit l'intensité du rayonnement.
Cette expérience ne peut être comprise dans le cadre de la physique classique. Si on conçoit classiquement que de l'énergie lumineuse est apportée aux électrons du métal par l'onde électromagnétique incidente, il suffit d'augmenter cette énergie en augmentant l'intensité incidente pour arracher les électrons de la surface, et ce, quelle que soit la fréquence de l'onde. L'existence d'une fréquence seuil n'est donc pas interprétable par la physique classique pour laquelle l'énergie lumineuse ne dépend pas de la fréquence et s'échange continuement.
Alexandre Becquerel
Le nombre d'électrons extraits est proportionnel à l'intensité du rayonnement : au dessus du seuil de fréquence, l'effet intervient et persiste même si l'on diminue à l'extrême cette intensité.
Ce résultat est cohérent avec l'approche classique. Plus l'intensité est grande, plus le rayonnement communique d'énergie à la plaque métallique. Les électrons sont alors plus nombreux à recevoir suffisamment d'énergie pour vaincre l'attraction du métal. Dans le cas de très faibles intensités, on devrait, d'après la physique classique, observer un temps de latence traduisant le délai d'accumulation de suffisamment d'énergie par les électrons pour qu'ils se libèrent du métal.
Les limites de la physique classique
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L'effet photoelectrique
LE RAYONNEMENT DU CORPS NOIR
LA LUMIERE
Albert Einstein
Isaac Newton
Christian Huygens
Le rayonnement du corps noir
La catastrophe ultraviolette
La formule de Planck
Définition
En 1900, Rayleigh proposa d'analyser les propriétés d'absorption et d'émission à l'intérieur du corps noir en le modélisant par un ensemble d'oscillateurs harmoniques pouvant absorber ou émettre la lumière pour toutes les fréquences du rayonnement.Son analyse, basée sur la thermodynamique classique conduisit à la formule suivante, corrigée par Sir James Jeans, qui porte le nom de loi de Rayleigh - Jeans : où U est la densité d'énergie émise par unité de longueur d'onde, k est la constante de Boltzmann et T la température absolue. La loi de Rayleigh - Jeans ne permet de rendre compte de l'émission du corps noir qu'aux grandes longueurs d'onde (faibles fréquences). Pour des longueurs d'onde inférieures, elle fait apparaître une divergence par rapport à la distribution expérimentale. Cette divergence est appelée "catastrophe ultra-violette".
Lord Rayleigh
Sir James Hopwood Jeans
En 1900, Max Planck proposa une solution permettant de résoudre le problème posé par la catastrophe UV et de décrire complètement et de manière satisfaisante l'ensemble du spectre du corps noir. Le point central de la solution de Planck est que l'échange d'énergie entre le rayonnement et la matière est discontinu. La plus petite quantité d'énergie ϵ (le quantum d'énergie) échangée par un rayonnement de fréquence ν est liée à cette fréquence par la relation : La constante h fut proposée comme nouvelle constante universelle. Sa dimension est celle d'une action (une énergie fois un temps). Les déterminations expérimentales ultérieures de h conduisent à la valeur : La quantification de l'échange d'énergie entre matière et rayonnement apparut à l'époque comme une révolution. Elle ouvrit la voie à de nombreuses études fondamentales qui allaient aboutir à l'émergence d'une nouvelle théorie conciliant les aspects corpusculaires et ondulatoires pour décrire tout à la fois les particules et la lumière : la mécanique quantique.
Max Planck
Les caractéristiques principales révélées par l'expérience sont les suivantes : Il n'a lieu que pour une fréquence du rayonnement ν supérieure à une fréquence limite ν0. En dessous de cette fréquence seuil, l'effet photoélectrique ne se produit pas quelle que soit l'intensité du rayonnement.
Cette expérience ne peut être comprise dans le cadre de la physique classique. Si on conçoit classiquement que de l'énergie lumineuse est apportée aux électrons du métal par l'onde électromagnétique incidente, il suffit d'augmenter cette énergie en augmentant l'intensité incidente pour arracher les électrons de la surface, et ce, quelle que soit la fréquence de l'onde. L'existence d'une fréquence seuil n'est donc pas interprétable par la physique classique pour laquelle l'énergie lumineuse ne dépend pas de la fréquence et s'échange continuement.
Alexandre Becquerel
Le nombre d'électrons extraits est proportionnel à l'intensité du rayonnement : au dessus du seuil de fréquence, l'effet intervient et persiste même si l'on diminue à l'extrême cette intensité.
Ce résultat est cohérent avec l'approche classique. Plus l'intensité est grande, plus le rayonnement communique d'énergie à la plaque métallique. Les électrons sont alors plus nombreux à recevoir suffisamment d'énergie pour vaincre l'attraction du métal. Dans le cas de très faibles intensités, on devrait, d'après la physique classique, observer un temps de latence traduisant le délai d'accumulation de suffisamment d'énergie par les électrons pour qu'ils se libèrent du métal.