QUANTIQUE PHYSIQUE
Quelques applications de la physique quantique
Effets quantiques microscopiques
Pour éviter toute confusion, on peut rappeler le vocabulaire : les plus petits constituants de la matière sont les particules élémentaires (photons, électrons, quarks, gluons, etc.). Les protons et neutrons (états liés de quarks et de gluons) s'assemblent pour former les noyaux d'atomes. Entourés d'électrons, ces noyaux forment des atomes, lesquels s'assemblent en molécules.
Dans l'étude des particules élémentaires, la physique est bien sûr essentiellement quantique. Dans ce domaine, les énergies sont très élevées, et la théorie de la relativité doit être prise en compte. La physique des particules est décrite par la théorie quantique des champs (cf. théorie des champs).
La physique atomique (cf. physique atomique) étudie la dynamique des électrons liés aux noyaux d' atomes. Les équations de la mécanique quantique donnent les valeurs propres possibles pour l'énergie de ces électrons, et l'on trouve des valeurs discrètes de l'énergie, repérées par un nombre entier n. On peut également compter le nombre d'états propres correspondant à chaque valeur propre. Ce nombre est égal à 2 n2 : il y a donc deux états possibles sur le niveau le plus bas (n = 1), huit sur le deuxième (n = 2), dix-huit sur le troisième, etc. De plus, les électrons sont des fermions : en vertu du principe d'exclusion de Pauli, il ne peut y avoir qu'un électron dans chaque état possible. On retrouve ainsi tous les éléments de la table de Mendeleïev ainsi que les fréquences des raies spectrales de ces divers éléments.
L'étude des noyaux d'atomes qui relève de la physique nucléaire (cf. physique nucléaire) est un problème plus compliqué, mais on a pu construire des modèles donnant, avec une bonne approximation, les énergies de liaison entre protons et neutrons. Ces énergies, beaucoup plus élevées que les énergies de liaison des électrons dans les atomes, fournissent l'énergie nucléaire, par fission (division) ou fusion (assemblage) de noyaux.
Par ailleurs, quand des atomes mettent en commun une partie de leurs électrons, des forces de liaison entre atomes apparaissent, donnant naissance aux molécules (c'est le domaine de la chimie). Là encore, l'outil principal est l'équation de Schrödinger pour des électrons soumis aux forces de plusieurs noyaux. Le problème est donc plus ardu que celui de la physique atomique, et il est d'autant plus difficile que les molécules comportent un plus grand nombre d'atomes. Cependant, de nombreuses méthodes d'approximation ont été élaborées avec succès. La chimie quantique a fait de la chimie une discipline donnant des prédictions quantitatives fondées sur les mécanismes de base.
Un autre exemple d'application est l'étude de l'état solide. Habituellement, les solides se présentent sous une forme très ordonnée, la forme cristalline , qui est un réseau régulier d'atomes (cf. matière [physique] - État solide). Dans ce réseau, les électrons du niveau d'énergie le plus haut (les électrons « de valence » de la chimie) sont mis en commun et se comportent presque comme des électrons libres à l'intérieur du cristal. Ils peuvent donc circuler dans le solide, lui donnant ainsi des propriétés de conduction électrique et de conduction thermique. Mais les prédictions de la théorie classique ne concordent pas avec l'expérience, surtout en ce qui concerne la chaleur spécifique des métaux. Un modèle simple, dû à Sommerfeld, considère les électrons comme libres, mais tient compte du fait que ce sont des fermions, obéissant au principe d'exclusion de Pauli. Cette simple modification, déjà typiquement quantique, permet de retrouver des chaleurs spécifiques en assez bon accord avec l'expérience.[...]
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Écrit par
- Claude de CALAN : directeur de recherche au C.N.R.S., centre de physique théorique, École polytechnique, Palaiseau
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Physique quantique
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