Den kvanteteorien er navnet gitt til en fysisk teori som forsøk på å modellere oppførselen til energi på en liten skala under anvendelse av Quanta (flertall av termen latinske quantum ), enkeltvise mengder. Kjent på engelsk under navnet "gammel kvanteteori" ( gammel kvanteteori ), opprørte dens innføring flere mottatte ideer i datidens fysikk, på begynnelsen av XX E århundre. Det fungerte som en bro mellom klassisk fysikk og kvantefysikk , hvor hjørnesteinen kvantemekanikk ble født i 1925.
Den ble initiert av Max Planck i 1900, deretter utviklet hovedsakelig av Albert Einstein , Niels Bohr , Arnold Sommerfeld , Hendrik Anthony Kramers , Werner Heisenberg , Wolfgang Pauli og Louis de Broglie mellom 1905 og 1924.
Den fysiske standarden som gjaldt på slutten av XIX - tallet inkluderte følgende teorier:
En rekke kjente eksperimentelle fakta på slutten av XIX - tallet var uforklarlige innenfor rammen av klassisk teori. Disse uoverensstemmende eksperimentelle fakta fikk fysikere gradvis til å foreslå en ny verdenssyn, kvantefysikk . De viktigste stadiene i denne konseptuelle revolusjonen fant sted mellom 1900 og 1925.
Svart kroppsstrålingStrålingens svarte kropp er den elektromagnetiske strålingen som produseres av et absorberende legeme helt i termodynamisk likevekt med omgivelsene.
Tenk deg et lukket kammer holdt ved en temperatur : en "ovn", og gjennomboret med et lite hull. Veggene i ovnen antas å være fullstendig absorberende, og enhver stråling som begynner utenfor ovnen som trenger gjennom hullet mot det indre av innkapslingen, gjennomgår flere refleksjoner, utslipp og absorpsjoner av ovnens vegger opp for å oppnå full termisering: innkapslingen og dets strålingsinnhold er i termisk likevekt . Omvendt kan en liten del av den termiske strålingen inne i ovnen unnslippe den definitivt, og dessuten tillate den eksperimentelle studien, spesielt dens spektrale energifordeling , det vil si energitettheten. Volumet til stede ved elementært frekvensintervall. Termodynamikk gjør det mulig å vise at egenskapene til denne strålingen ikke avhenger av naturen til materialet som ovnens vegger er laget av, men bare av temperaturen. Denne strålingen kalles svart kroppsstråling .
På slutten av XIX - tallet var den klassiske teorien ikke i stand til å forklare de eksperimentelle egenskapene til svart kroppsstråling: beregning av energien som sendes ut teoretisk, går mot det uendelige , noe som åpenbart var i strid med erfaring. Denne uenigheten ble kalt den ultrafiolette katastrofen , og utgjør en av "to små skyer i den rolige himmelen til teoretisk fysikk" , en kjent setning uttalt av Thomson - alias Lord Kelvin -27. april 1900under en konferanse. I resten av talen spådde Thomson en rask forklaring på de eksperimentelle resultatene innenfor rammen av klassisk teori. Historien har vist ham feil: bare noen få måneder etter Thomsons forelesning kom Planck med en dristig hypotese som ville føre til en radikal omveltning i landskapet med teoretisk fysikk.
Forholdet Planck-Einstein (1900-1905)I desperasjon antok Planck at energiutvekslingen mellom den svarte kroppens elektromagnetiske stråling og materialet som utgjorde ovnens vegger ble kvantifisert, det vil si at energien overføres i pakker. Mer presist, for monokromatisk frekvensstråling , kunne energiutveksling bare finne sted i heltallmultipler av en minimumsmengde, et kvantum energi:
hvor er et positivt heltall, og en ny universell konstant, i dag kalt Plancks konstant eller handlingskvantum . Denne konstanten er verdt:
joule . sPlancks lov for svart kroppsstråling er skrevet:
er bølgelengden, T temperaturen i Kelvin, h Planck-konstanten, og c lysets hastighet i vakuum.
The Quantum hypotesen ved Max Planck ble tatt opp og gjennomført av Albert Einstein i 1905 for å tolke den fotoelektriske effekten.
Den fotoelektriske effekten (1905)På slutten av XIX - tallet , bemerker fysikere at lyser når et metall med et lys, kan avgi elektroner.
Deres kinetiske energi avhenger av frekvensen til det innfallende lyset, og antallet deres avhenger av lysintensiteten, noe som er vanskelig å forstå innenfor bølgemodellen for lys. Spesielt hvis det innfallende lyset har en frekvens under en viss terskel, skjer det ingenting, selv om vi venter veldig lenge. Dette resultatet er klassisk uforståelig, fordi Maxwells teori forbinder med elektromagnetiske bølger en energitetthet proporsjonal med lysintensiteten, så det er klassisk mulig å samle så mye energi som vi vil i metallet i belysningen lenge nok og "uansett frekvens av hendelsesstråling vurdert ". Det burde ikke være en terskel.
Inspirert av Planck, foreslo Einstein i 1905 en enkel hypotese som forklarte fenomenet: "elektromagnetisk stråling kvantiseres i seg selv", hvert "korn av lys" - som senere vil kalles foton - bærer et kvantum energi . Elektroner som absorberer fotoner tilegner seg denne energien; hvis den er større enn en fast terskelenergi (som bare avhenger av metallets art), kan elektroner forlate metallet. Elektronene som sendes ut, har deretter kinetisk energi:
.Denne artikkelen ga Einstein tittelen doktor i teoretisk fysikk i 1905, og Nobelprisen i fysikk i 1921 .
Atomenes stabilitetTo alvorlige problemer oppsto på slutten av XIX - tallet på atomer , bestående av et antall engangs negativt ladede elektroner, og en punktlignende kjerne, positivt ladet:
Det er danske Niels Bohr som vil være den første som tilbyr en semi-klassisk modell for å komme rundt disse vanskelighetene.
Den Bohr modell av et hydrogenatom er en modell som bruker to svært forskjellige ingredienser:
Den eksotiske blandingen av disse ingrediensene gir spektakulære resultater: avtalen med erfaring er virkelig utmerket.
Sommerfeld vil perfeksjonere Bohr-modellen i to trinn:
Inkluderingen av relativistiske effekter vil bare gjøre sammenligningen med eksperimentelle resultater enda bedre.
Mens det var klart at lys presenterte en bølge-partikkel-dualitet , foreslo Louis de Broglie med frimodighet å generalisere denne dualiteten til alle kjente partikler.
I sin avhandling fra 1923 assosierte de Broglie med hver materialpartikkel av energi en frekvens i henhold til forholdet Planck-Einstein som allerede er nevnt, og, et nytt faktum, foreslo han å assosiere med impulsen til en ikke-relativistisk massiv partikkel en bølgelengde , ifølge til loven:
Dette var nok et revolusjonerende trinn. Paul Langevin fikk øyeblikkelig lese de Broglies avhandling for Einstein, som erklærte: “Han [de Broglie] har løftet et hjørne av storseilet. Elektronens bølgekarakter vil motta direkte eksperimentell bekreftelse med eksperimentet med diffraksjon av elektroner av en krystall utført av Davisson og Germer i 1927.
De Broglies forhold kan også skrives:
i form av vinkelfrekvensen: og bølgevektor , hvis norm er: .
De elektroner , ladede partikler samhandle med lys, typisk beskrives ved et elektromagnetisk felt. Klassisk fysikk kan imidlertid ikke forklare den observerte variasjonen i bølgelengden til strålingen som en funksjon av diffusjonsretningen. Den riktige tolkningen av dette eksperimentelle faktum vil bli gitt av Compton og hans samarbeidspartnere på slutten av eksperimentene som ble utført mellom 1925 og 1927.
Denne effekten, kalt til hans ære Compton-effekten , er godt beskrevet ved å betrakte foton- elektron sjokk , som et sjokk mellom to partikler, fotonet bærer et kvantum energi og et kvantum av momentum . Fotonene er spredt i varierende retninger, og har en variasjon i bølgelengde som avhenger av spredningsretningen.