Den kvanteteorien er navnet på en fysisk teori, som forsøg på at modellere adfærd af energi i lille skala ved hjælp kvanter (flertal af udtrykket latinske kvante ), diskrete mængder. Kendt på engelsk under navnet "gammel kvanteteori" ( gammel kvanteteori ), forstyrrede dens introduktion adskillige modtagne ideer i datidens fysik i begyndelsen af XX E århundrede. Det fungerede som en bro mellem klassisk fysik og kvantefysik , hvis hjørnesten kvantemekanik blev født i 1925.
Det blev initieret af Max Planck i 1900, derefter udviklet hovedsageligt af Albert Einstein , Niels Bohr , Arnold Sommerfeld , Hendrik Anthony Kramers , Werner Heisenberg , Wolfgang Pauli og Louis de Broglie mellem 1905 og 1924.
Den fysiske standard i kraft ved udgangen af det XIX th århundrede omfattede følgende teorier:
En række kendte eksperimentelle fakta i slutningen af det XIX th århundrede var uforklarlige inden for rammerne af den klassiske teori. Disse uoverensstemmende eksperimentelle kendsgerninger fik fysikere gradvist til at foreslå en ny vision for verden, kvantefysik . De største faser i denne konceptuelle revolution fandt sted mellem 1900 og 1925.
Sort kropsstrålingDen strålende sorte krop er den elektromagnetiske stråling, der produceres af et absorberende legeme fuldstændigt i termodynamisk ligevægt med sit miljø.
Forestil dig et lukket kammer, der holdes ved en temperatur : en "ovn" og gennemboret med et lille hul. Ovnens vægge antages at være helt absorberende, enhver stråling, der oprindeligt er uden for ovnen, der trænger gennem hullet mod det indre af kabinettet, gennemgår flere reflektioner, emissioner og absorptioner af ovnens vægge op for at opnå fuld termisering: kabinettet og dets strålingsindhold er i termisk ligevægt . Omvendt kan en lille del af den termiske stråling inde i ovnen undslippe den definitivt og tillade desuden dens eksperimentelle undersøgelse, især dens spektrale energifordeling , det vil sige energitætheden. Volumen til stede ved elementært frekvensinterval. Termodynamik gør det muligt at vise, at egenskaberne ved denne stråling ikke afhænger af arten af det materiale, som ovnens vægge er fremstillet af, men kun af dets temperatur. Denne stråling kaldes sort legemsstråling .
Ved slutningen af det XIX th århundrede , den klassiske teori ikke var i stand til at forklare de eksperimentelle karakteristika sort legeme stråling: beregning af energi, der udsendes teoretisk tenderer mod uendelig , som var naturligvis i modstrid med erfaring. Denne uenighed blev kaldt den ultraviolette katastrofe og udgør en af "to små skyer på den teoretiske fysiks fredfyldte himmel" , en berømt sætning fremsat af Thomson - alias Lord Kelvin -27. april 1900under en konference. I den resterende del af sin tale forudsagde Thomson en hurtig forklaring af de eksperimentelle resultater inden for rammerne af klassisk teori. Historien har bevist ham forkert: kun måneder efter Thomsons forelæsning kom Planck med en dristig hypotese, der ville medføre en radikal omvæltning i landskabet for teoretisk fysik.
Forholdet Planck-Einstein (1900-1905)I desperation antog Planck, at energiudvekslingen mellem den sorte legems elektromagnetiske stråling og materialet, der udgør ovnens vægge, blev kvantificeret, det vil sige, at energien overføres i pakker. Mere præcist, for monokromatisk frekvensstråling kunne energiudveksling kun finde sted i heltal multipla af en minimumsmængde, et kvantum energi:
hvor er et positivt heltal og en ny universel konstant, i dag kaldet Plancks konstante eller kvantum for handling . Denne konstant er værd:
joule . sPlancks lov for sort legemsstråling er skrevet:
er bølgelængden, T temperaturen i Kelvin, h Planck-konstanten og c lysets hastighed i vakuum.
Den kvante hypotese ved Max Planck blev taget op og udfyldt af Albert Einstein i 1905 til at fortolke den fotoelektriske effekt.
Den fotoelektriske effekt (1905)Ved slutningen af det XIX th århundrede , fysikere opmærksom på, at tændes, når et metal med en lys, kan det udsende elektroner.
Deres kinetiske energi afhænger af frekvensen af det indfaldende lys, og deres antal afhænger af lysintensiteten, hvilket er vanskeligt at forstå inden for lysbølgemodellen. Især hvis det indfaldende lys har en frekvens under en bestemt tærskel, sker der intet, selvom vi venter meget længe. Dette resultat er klassisk uforståeligt, fordi Maxwells teori forbinder med elektromagnetiske bølger en energitæthed, der er proportional med lysintensiteten, så det er klassisk muligt at akkumulere så meget energi, som vi vil have i metallet i belysningen længe nok og "uanset frekvensen af hændelsesstråling betragtes som ". Der burde ikke være en tærskel.
Inspireret af Planck foreslog Einstein i 1905 en simpel hypotese, der forklarede fænomenet: "elektromagnetisk stråling kvantificeres i sig selv", hvert "korn af lys" - som senere vil blive kaldt foton - bærer et kvantum energi . Elektroner, der absorberer fotoner, erhverver denne energi; hvis det er større end en fast tærskel energi (som kun afhænger af metalets art), kan elektroner forlade metallet. De udsendte elektroner har derefter kinetisk energi:
.Denne artikel fik Einstein titlen som doktor i teoretisk fysik i 1905 og Nobelprisen i fysik i 1921 .
Atoms stabilitetTo alvorlige problemer opstod i slutningen af det XIX th århundrede på atomer , der består af en række engangsomkostninger negativt ladede elektroner, og et punkt-lignende kerne, positivt ladet:
Det er danske Niels Bohr, der vil være den første til at tilbyde en semi-klassisk model for at komme omkring disse vanskeligheder.
Den Bohr modellen af hydrogenatomet er en model, der bruger to meget forskellige ingredienser:
Den eksotiske blanding af disse ingredienser giver spektakulære resultater: aftalen med erfaring er virkelig fremragende.
Sommerfeld vil perfektionere Bohr-modellen i to trin:
Inkluderingen af relativistiske effekter vil kun gøre sammenligningen med de eksperimentelle resultater endnu bedre.
Mens det var klart, at lys præsenterede en bølge-partikel-dualitet , foreslog Louis de Broglie dristigt at generalisere denne dualitet til alle kendte partikler.
I sin afhandling fra 1923 forbandt de Broglie med hver materialepartikel af energi en frekvens i henhold til Planck-Einstein-forholdet, der allerede er nævnt, og en ny kendsgerning foreslog han at forbinde impulsen til en ikke-relativistisk massiv partikel en bølgelængde ifølge til loven:
Dette var endnu et revolutionerende skridt. Paul Langevin lod straks de Broglie's afhandling læse for Einstein, der erklærede: ”Han [de Broglie] har løftet et hjørne af storsejlet. Elektronens bølgekarakter modtager direkte eksperimentel bekræftelse med eksperimentet med diffraktion af elektroner af en krystal udført af Davisson og Germer i 1927.
De Broglies forhold kan også skrives:
i form af vinkelfrekvensen: og bølgevektoren , hvis normen er: .
De elektroner , ladede partikler vekselvirker med lys, typisk beskrevet af et elektromagnetisk felt. Klassisk fysik kan imidlertid ikke forklare den observerede variation i strålingens bølgelængde som en funktion af diffusionsretningen. Den korrekte fortolkning af denne eksperimentelle kendsgerning vil blive givet af Compton og hans samarbejdspartnere i slutningen af eksperimenter udført mellem 1925 og 1927.
Denne effekt, opkaldt efter ham for Compton effekt , er godt beskrevet ved at betragte foton -electron chok , da et chok mellem to partikler, den foton bærer et kvantum af energi og en kvante momentum . Fotonerne er spredt i forskellige retninger og udviser en variation i bølgelængde, der afhænger af spredningsretningen.