Grand oral du bac : Sciences LA THÉORIE QUANTIQUE

« La théorie quantique i Le spectre d'absorption de la lumière a solaire décomposé par un prisme.

Les lignes verticales noires, ou •lignes d'absorption•, trahissent le fait que certains photons sont interceptés par les atomes de l'atmosphère solaire, et donc éliminés de la lumière qui nous parvient.

vit pour proposer un modèle élégant de l'atome, dans lequel le noyau est entouré d'un cortège d'électrons en orbite, comme le Soleil est entou­ ré de planètes.

Détail important, les électrons ne pouvaient «habiter» que certaines orbites particu­ lières; ils pouvaient certes transiter de l'une à l'autre, mais sans s'attarder entre elles.

Ainsi put-on expliquer la nature quantique de là lumière.

Lorsqu'un électron «chute>> de l'une de ces orbites «autorisées>> à une autre, plus proche du noyau et correspondant donc à une énergie inférieure, cela s'accompagne de l'émis­ sion d'un photon -«quanta>> de rayonnemen t-la longueur d'onde est dictée par la différence d'énergie entre les deux orbites.

Inversement, pour faire passer un électron d'une couche proche du noyau à une couche plus éloignée, c'est-à-dire d'un certain niveau d'énergie supé­ rieur, il faut fournir à l'atome une énergie (lumi­ neuse) qui est la différence entre les énergies de l'état initial et de l'état final.

La physique quantique était née, et devait révcr lotionner la conception de l'Univ ers.

Le Français Louis de Broglie (1892-1987) en tira une pre­ mière conséquence.

Il postula, en 1923, que si les rayonnements électromagnétiques, en plus de leur nature ondulatoire, se comportaient comme des particules, alors toute particule devait être associée à une onde.

Ce postulat conduisit à la réalisation des premiers microscopes électro­ niques, utilisant des électrons à la manière d'ondes pour créer des images.

Le principe d'incertitude En fait, la double nature onde/particule de l'élec­ tron se révéla encore plus étrange à mesure que ' Correspondant au phénomène inverse de l'absorption, les raies d'émission montrent la palette finie de rayons qu'émettent les atomes d'un élément chimique (le/l'hélium), lorsque celui-ci est excité.

La demi-douzaine de raies visibles correspondent à autant de changements d'orbites possibles de ses électrons.

les physiciens l'étudiaient.

En 1926, le physicien allemand Erwin Schrodinger (1887-1961) établit que l'électron se présentait non comme une par­ ticule en orbite autour du noyau, mais comme une onde enveloppant celuki, de sorte qu'il était en tout point de son orbite en même temps! Werner Heisenberg (1901-1976), son compa­ triote, poussa le raisonnement plus loin encore, concluant qu'il était en fait impossible de décrire l'électron en termes familiers -particules ou ondes-, mais que les orbites électroniques ne pouvaient être décrites qu'en termes numé­ riques, par des matrices mécaniques.

Plus étran­ ge encore: en cherchant à savoir s'il était possible de localiser la position d'un électron sur son orbi­ te, Werner Heisenberg parvint à la conclusion paradoxale que plus serait précis le moyen de mesurer une telle position, moins la mesure en question se révélerait précise.

En d'autres termes, il était rigoureusement impossible d'observer la matière dans son fonctionnement le plus intime.

Cet étonnant postulat, appelé principe d'incerti­ tude de Heisenberg, peut être compris à travers quelques exemples simples.

Imaginons qu'un microscope électronique puisse «voir>> un élec­ tron, grâce à l'éclairage procuré par un photon de lumière.

En touchant l'électron, le photon dépla­ cerait ce dernier, de sorte que sa position ne pour­ rait jam_ais être connue avec une très grande pré­ cision.

A l'échelle macroscopique, on peut conce- Prix Nobel en 1965, le physicien américain ......

Richard Feynman (1918-1988) mit au point la théorie de l'électrodynamique quantique.

Il postula également l'existence de •particules virtuelles•, qui naissent puis disparaissent avant qu'on ne puisse déterminer leurs caractéristiques.

' Prix Nobel de physique en 1932, Werner Heisenberg (1901-1976) découvrit le principe d'incertitude qui porte son nom : plus les moyens de mesure du comportement d'une particule subatomique sont précis, et moins la mesure le sera.

voir la même difficulté, par exemple en essayant de mesurer la température de l'eau d'une baignoi­ re avec un thermomètre.

En plongeant le thermcr mètre, l'instrument en extrait de la chaleur (celle nécessaire pour faire monter le niveau de mercu­ re par dilatation) , donc il mesure une température inférieure à celle qu'il était censé mesurer.

La théorie quantique et le principe d'incertitude ont permis de mieux comprendre la nature de l'Uni­ vers, jusqu'au mécanisme même de l'apparition de la matière à partir du néant, comme c'est le cas dans la théorie du big-bang.. »