Cent ans depuis la naissance du Quantum: zorionak, Planck

2000/12/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Dans la société actuelle, la physique quantique a été ajoutée plusieurs fois les mots "difficile" et "ennuyeux". Mais pour ceux qui aiment la physique, la succession des événements de cette époque est passionnante. XIX. Dans la dernière décennie du XXe siècle et dans les trente-cinq premières années du XXe (à limiter d'une certaine façon) a eu lieu un énorme et brusque développement de la physique.

Pour analyser l'histoire de la découverte du quantique, il faut d'abord regarder en arrière. En 1801, le physicien anglais Thomas Young voulait mieux comprendre ce qu'est la lumière. Jusque-là, dit Newton, la plupart pensaient que la lumière était composée de petites particules. Mais Young a fait passer la lumière par deux fentes et a vu qu'il se divisait comme les vagues flottantes. Alors Young a conclu que la lumière est la vague. Théorie de Young XIX. Il a dominé le XIXe siècle. Nous savons maintenant que Newton et Young avaient raison.

Max Planck

XIX. À la fin du XXe siècle, la physique était très avancée. En fait, on faisait des expériences que les théories de Newton n'expliquaient pas. Les rayons X (William Konrad Roetgen, 1895) et le rayonnement (Antoine Henry Becquerel, 1896) ont été récemment découverts. Marie Curie, avec son mari, a découvert le thorium et le polonium. Les scientifiques européens étaient dans une inquiétude. Dans ces années, le « rayonnement du corps noir », défini par le physicien prussien Gustav Robert Kirchhoff, est devenu un puzzle des physiciens. Le corps noir est un solide idéal qui ne reflète pas le rayonnement (ni la lumière). Il absorbe tout ce qui lui arrive. Si ce solide est chauffé, il émet un rayonnement dépendant de la température. Ainsi agissent aussi les morceaux d'acier, par exemple. À une certaine température, le corps émet de la lumière rouge. Un peu plus chauffé, lumière jaune. Plus de chauffage, lumière bleuâtre, etc. En augmentant la température, la longueur d'onde du rayonnement émis est inférieure. Cependant, il ne produit pas un mélange de couleurs.Pourquoi?

Max Planck était un expert scientifique. Il a obtenu son doctorat à vingt et un ans (la même année, Albert Einstein est né). Bien qu'étudiant à Kirchhoff, il a pris comme référence les écrits de Rudolf Claussius. Dans les théories de la thermodynamique était habillé et a essayé d'expliquer le rayonnement du corps noir. En octobre 1900, il était très déroutant. La physique connue jusqu'alors n'offrait pas d'explications. Presque désespérée, elle a proposé une idée curieuse qu'elle a publiée le 14 décembre. Dans cet écrit, il a publié la formule qui unissait l'énergie d'un rayonnement avec la longueur d'onde. Le rayonnement électromagnétique (la lumière, par exemple) était constitué de particules d'énergie exacte. Planck a appelé le quito à l'unité de rayonnement et a proposé que l'énergie peut être absorbée ou émise en quantités entières de quantiques. Sa théorie impliquait une innovation excessive et n'a pas été approuvée immédiatement.

Planck: le regard de la tragédie

Le physicien Max Planck, prix Nobel en 1918, a eu une vie triste. Après vingt-deux ans mariés, sa femme Marie Merck mourut en 1909 et l'année suivante, il épousa Marga von Hoesslin. Un fils, Karl, est mort à Verdun pendant la Première Guerre mondiale. Deux autres filles, Margarete et Emma, sont mortes à l'accouchement. La Seconde Guerre mondiale a été une période très mauvaise pour elle. Un fils a été écrasé et tué pour avoir participé à une attaque contre Hitler. En 1944, la maison de Planck fut totalement détruite par un bombardement. Après la guerre, les Américains l'emmenèrent à Gottingen. Il est décédé en 1947.

Albert Einstein

Quand est né le concept de ce que le jeune Albert Einstein ne pouvait pas accéder au poste de travail à l'ETH (Eidgenossiche Technische Hochschule) de Zurich. En 1902, le père d'un ami lui a donné l'occasion de travailler à l'office des brevets. Il a commencé à travailler pendant sept ans, mais a eu la possibilité de suivre des études de doctorat en temps libre.

Le prix Nobel de physique de 1905 a été décerné au physicien allemand Philipp Lenard. Les observations de Lenard étaient très intéressantes. Quand les rayons de lumière s'allument sur la surface d'un métal, ils déclenchent les électrons. Ce phénomène est appelé effet photoélectrique. C'était très curieux. Les électrons produits par la lumière bleue, par exemple, se déplaçaient plus vite que ceux produits par la lumière rouge. En outre, dans les atomes contenant des électrons liés à des interactions faibles (par exemple dans le césium), presque tout type de lumière produit un saut. Cependant, les électrons les plus forts, comme le cobalt, ne peuvent pas être extraits par la lumière rouge.

Précisément la même année, Einstein a expliqué l'effet photoélectrique. Pour cela, il a dû se fonder sur la théorie des quanta. La lumière bleue a une longueur d'onde inférieure au rouge et donc, selon la théorie de Planck, une énergie beaucoup plus grande. En fait, les électrons fortement unis ne peuvent pas être libérés par des radiations de grande longueur d'onde. Ils ont besoin de beaucoup d'énergie. Plus important encore: Selon l'hypothèse d'Einstein, les photons (composants de la lumière) sont à la fois des particules et des ondes. Dans l'effet photoélectrique, par exemple, ils agissent comme des particules qui se heurtent, mais dans l'expérience de Young ont un caractère ondulatoire marqué. Ils ont passé environ dix ans jusqu'à ce que les physiciens ont accepté ces conclusions.

Le travail de ce scientifique étonnant ne s'est pas terminé cette année. En plus d'expliquer l'effet photoélectrique, en 1905 Einstein a publié sa théorie particulière de la relativité. Ces travaux ont été des travaux de doctorat. En outre, il convient de noter qu'il a reçu le prix Nobel de physique de 1921, mais pas pour la théorie de la relativité, mais pour l'explication de l'effet photoélectrique. Paradoxalement, mais à côté de la signification physique, une anecdote.

Ce travail a été la base de la nouvelle branche développée grâce à la théorie du quantum, la physique quantique. La contribution d'Einstein est prise comme le véritable point de départ de la physique quantique, puisque Planck a supposé un concept unique de ce que. Par la suite, à partir des travaux de Planck et d'Einstein, de nombreux physiciens donnèrent une interprétation folle à la physique quantique, effrayante à Planck et à Einstein. Et c'est que le dernier a donné toute sa vie à chercher des erreurs dans cette interprétation.

Niels Bohr

Le nom le plus remarquable de ceux qui ont donné une nouvelle orientation à la théorie quantique est Niels Bohr. La contribution du physicien danois a également secoué la chimie. Il a appliqué la théorie appliquée aux radiations aux atomes. Il croit que les électrons des atomes ne pouvaient pas avoir n'importe quelle énergie. Autour du noyau se déplaçaient plusieurs orbites concrètes, chacune avec un niveau d'énergie déterminé. Bohr a appliqué à l'atome le modèle planétaire. Par conséquent, plus l'électron du noyau est proche, plus l'énergie est nécessaire pour l'évacuer.

Il a été découvert que la théorie est applicable à toutes les particules de l'atome. Cela a eu des conséquences terribles: Les formules de l'électromagnétisme de Maxwell et la mécanique classique de Newton n'étaient pas applicables aux systèmes de cette taille. Les théories de Louis de Broglie ont prolongé le caractère simultané des particules et des vagues des photons aux électrons. En 1927, les expériences de Clinton Davisson confirment cette idée. De la main de Bohr et de Broglie, la quantification était appliquée à la matière et pas seulement à la lumière. La limite de ce qui peut être compris de notre niveau macroscopique a été dépassée.

Cependant, le modèle de Bohr ne montrait que des atomes à un seul électron. Ceux qui avaient besoin d'un autre élan théorique. Bohr lui-même croyait avoir trouvé une interprétation générale de la physique quantique. Il est connu comme interprétation de Copenhague et a été un succès dans la physique ultérieure. Dans les années à venir, un énorme travail a été accompli et les contributions de nombreux autres physiciens ont amélioré le modèle. Par exemple, au milieu des années 20 les physiciens Erwin Schrodinger et Werner Heisenberg ont maintenu la théorie de Broglie et ont développé la mécanique quantique.

La nouvelle mécanique a été basée sur l'analyse des probabilités. Einstein et Planck étaient complètement effrayés. Tous ces jeunes physiciens ont commencé à utiliser la mécanique des ondes comme des fous et leurs conséquences étaient très difficiles à assumer.

En fait, les deux inventeurs ne l'ont jamais accepté. Heisenberg a déduit que, selon le principe d'incertitude, les électrons (et toutes les autres particules) ne peuvent pas avoir une position et une vitesse à la fois. En fait, les orbites initialement proposées par Bohr ont été écartées et on a commencé à parler des orbitales, c'est-à-dire des zones à forte probabilité de trouver l'électron. En d'autres termes, on ne peut pas prédire le comportement d'un électron avant que l'expérience ne se produise. Deux électrons n'auront pas le même comportement, même s'ils connaissent les mêmes conditions. Au contraire, le comportement des ensembles d'électrons correspond à la probabilité calculable. Einstein ne l'a jamais cru. "Dieu, dit-il, ne joue pas en dés".

Combien pour la maison

Le nouveau modèle atomique permettait d'expliquer les expériences de chimie. La théorie quantique est philosophiquement très maligne, mais dans les soixante dernières années, aucune expérience n'a été connue contre ce que la théorie annonçait. En outre, les applications qui ont changé la vie des gens ordinaires ont été développés immédiatement.

Peut-être le plus important était le transistor inventé en 1947 dans les laboratoires Bell (la même année où Planck est mort). Ce dispositif, composé de couches de semi-conducteurs, peut contrôler et amplifier le courant électrique. John Bardeen, Walter H. Elle a été inventée par les physiciens américains Brattain et William Shockley. Pour cette invention, il a reçu le prix Nobel de physique en 1956. (Barde a également reçu un deuxième prix Nobel en 1972 pour ses recherches sur la supraconductivité). Les transistors sont la base de l'électronique et donc de l'informatique.

Mais la théorie quantique a donné d'autres applications importantes. Le microscope à effet tunnel, par exemple, nous offre la possibilité de voir et manipuler des atomes par un fameux phénomène quantique (l'effet tunnel) (voir Elhuyar Zientzia eta Teknika, numéro de novembre 2000, 32 pp. ). Ce dispositif est un outil de travail de base pour la création d'une nanotechnologie qui sera bientôt habituelle. D'autre part, il ne faut pas oublier que le principe physique des lasers est une simple mécanique quantique.