Physique quantique et expériences.

[Floris]

Bonjour, J’ai une petite série de question au passionnant sujet qu’est la physique quantique.

Touts d’abord, J’aimerais savoir pourquoi une particules est t’elle décrite comme un point en dépit du caractère probabilisé (excusez moi du langage ) du fait de sa longueurs d’onde définit par la relation de Louis De Broglie.

Aussi, j’aimerais savoir si le fait d’avoir une lumière cohérente produit par un laser implique nécessairement une lumière polarisée ? En effet, ce n’est qu’une déduction de ma part mais j’aimerais en être certain.

De même, je crois comprendre que la mécanique quantique, n’autorise que l’émission d’un seuls photon par atome de par la relation 1/137 me semble t’il. Cette question est peut être idiote de ma part mais, es que la quantité de photon définit t’elle l’intensité ? Ce que je me demande alors, c’est lorsque je bombarde un atome avec un électron d’énergie cinétique « E ». Comment, cette énergie cinétique vas t’elle être la variable de l’intensité du rayonnement émis par mon atome ?

En effet, si un atome ne peut qu’émettre 1 photon et que la quantité de photon /boson, définit l’intensité du champ, l’énergie cinétique ne pourrai être la variable de l’intensité. Je peux penser, évidement qu’un instant T après l’émission du premier photon, un autre en sera émis. Mais alors, ma mesure doit s’effectuer sur une certaine durée et donc ce n’est plus vraiment une intensité de phase ou d’onde comme le définit la physique classique.

Merci d’avance pour votre aide et votre bonne volonté.
Bien amicalement
Floris
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[deep_turtle]

Salut Floris,

Alors je vais essayer de commencer à te répondre...

J’aimerais savoir pourquoi une particules est t’elle décrite comme un point en dépit du caractère probabilisé (excusez moi du langage ) du fait de sa longueurs d’onde définit par la relation de Louis De Broglie.

Il se trouve que l'objet le plus simple qu'on puisse imaginer c'est le point, et que ça marche pas mal comme ça. D'autres te donneront peut-être des raisons plus profondes !

Aussi, j’aimerais savoir si le fait d’avoir une lumière cohérente produit par un laser implique nécessairement une lumière polarisée ?

Je ne m'étais jamais posé cette question comme ça et je me rends compte que la réponse n'est pas si évidente ! Je dirais que la superposition de radiations monochromatiques polarisées différemment donnerait une radiation totalement cohérente, et qui pourtant pourrait être non polarisée.

De même, je crois comprendre que la mécanique quantique, n’autorise que l’émission d’un seuls photon par atome de par la relation 1/137 me semble t’il.

Attention, ce nombre voisin de 1/137, c'est la constante de structure fine et indique la force de l'interaction électromagnétique, en quelque sorte, et n'est pas relié diretement au nombre de photons émis. Pour répondre plus directement à ta question, un atome peut émettre plusieurs photons, ou bien à la suite en passant d'un niveau excité à une série de niveaux d'énergie plus basse, ou bien d'un seul coup car il y a aussi des transitions (en général plus rares) faisant intervenir plusieurs photons.

[invitea3fc981a]

Aussi, j’aimerais savoir si le fait d’avoir une lumière cohérente produit par un laser implique nécessairement une lumière polarisée ? En effet, ce n’est qu’une déduction de ma part mais j’aimerais en être certain.

En effet le rayonnement laser provient de l'émission stimulée de photons par un atome, dans une direction et suivant une polarisation bien particulière.

Cependant pour décrire ce qui se passe exactement dans un laser "réel" (et non idéal), il faut tenir compte du fait qu'il peut exister plusieurs transitions électroniques dans l'atome qui pourront fournir un effet laser (et donc plusieurs longueurs d'onde qui vont se superposer dans le faisceau laser), de l'émission spontanée qui existe toujours dans les atomes et qui apporte une contribution stochastique au rayonnement (longueurs d'onde, direction et polarisation aléatoires), et enfin des impuretés qui peuvent provoquer aussi bien des rayonnements laser parasites que du rayonnement spontané. Un rayon laser réel est donc loin d'être un simple flux de photons qui ont tous la même direction de propagation et polarisation...

Cette question est peut être idiote de ma part mais, es que la quantité de photon définit t’elle l’intensité ?

C'est tout à fait ça. La longueur d'onde définit l'énergie d'un photon, donc l'intensité globale du faisceau va dépendre du nombre de photons.

L'effet photoélectrique est provoqué quand des électrons sont arrachés à une surface métallique suite à un rayonnement incident (bombardement de photons => électrons se déplaçant => courant électrique, d'où le nom "photoélectrique"). Si on éclaire avec une lumière bleue par exemple, et que cela crée un courant fort, alors on pourrait s'attendre à ce qu'un éclairage de même intensité mais une couleur différente (du rouge par exemple) il y ait le même courant. En fait il n'en est rien, et c'est bien ce qui posait problème à la fin du XIXe siècle où l'aspect ondulatoire de la lumière semblait être le bon.

En fait, le fait qu'un électron est arraché ou non, dépend de l'énergie du photon incident, et non de l'énergie du faisceau. Si le photon a assez d'énergie, alors il va ioniser l'atome et l'électron sera bien arraché de la surface ; si le photon n'a pas assez d'énergie, alors l'ionisation n'est pas possible, donc pas de courant électrique... L'explication de l'effet photoélectrique constitue l'un des trois brillants travaux publiés par Einstein en 1905 (avec l'explication du mouvement brownien et la relativité restreinte).

[Floris]

Bonjour et bonsoir, merci vraiment beaucoup Konrad et deep turlte pour ces premières précisions.

-deep turlte Pourrai tu me donner plus de détails sur ce qu’est la constante de structure fine ? Quel relation as t’elle avec la force électromagnétique ? Tu ma dit aussi, qu’un atome pouvait émettre plusieurs photons a la fois, es bien cela ?

Au sujet de la polarisation éventuelle d’un rayonnement cohérent. En fait, c’étai un peut une intuition de ma part puisque j’en ai déduit que la cause de l’émission devais être uniformément identique et que les photons serait tous émis de la même sorte. Donc, j’ai pensé qu’un rayon laser devait être généralement polarisée, cependant, la polarisation ne serait qu’un effet indirect de la production d’onde cohérente. Après j’ai expérimenté avec un petit laser et j’ai constatée que le rayonnement était asse polarisée. Donc on pourrai avoir un laser donc la polarisation est complètement désordre bien sur, n’est t’il pas ?

Au sujet de définir les particules comme un point. Si je ne fait pas erreur, un électron par exemple, n’est pas un objet avec le quel, j’aurai besoin d’avoir un carton d’invitation sur le quel, l’adresse serait très très très précise du fait de sa longueurs d’onde. Il n’est pas localisé à 100% dans l’espace comme l’est un point n’est pas, il a une certaine étendue ?
Cependant pour définir cette étendue dans l’espace infligée par l’onde associer à l’électron par exemple, celle-ci peut être décrit par une sorte de tenseur… Enfin à je sait que je m’exprime mal et que je dit très certainement des grosses erreurs, mais ce que je veux signifier par cette citation, c’est que ces comme quelqu’un qui me donnait rendez vous dans une ville, la personne me dit, qu’elle se trouve dans tels arrondissement et après, on pourrai penser que la personne est dans tout l’arrondissement. Le contre de l’arrondissement, serai une sorte de point. Enfin voila, une idée de ma part, pour lesquels on définit les particules comme un point. Donc si je fais erreur, merci bien de me tenir informer bien sur.

Enfin pour finir, il y une chose qui me titille.
Konrad, tu m’as confirmée que l’intensité était bien régit par la quantité de boson superposée. Cependant il y une chose que je trouve étrange. Il s’agit très certainement d’une erreur de langage mais, un photon, peut-il être divisible ? Mais la question que je me pose, si la quantité de photon définit l’intensité, cette quantité ne peut que se définir sur des nombres réels. Ce qui me perturbe, c’est que l’intensité serait elle-même quantifié. Je ne pourrai qu’avoir une intensité minimal, correspondant à l’intensité d’un photon. Où est l’erreur, d’après les observations, ce n’est que l’Energie d’un ou des photons qui est quantifié, mais non pas l’intensité. !! Je crois qu’il s’agit vraiment d’une erreur de langage ou je me tire les cheveux.

Merci encore.
Bien cordialement
Flo

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitea3fc981a]

MDR "deep turlute" je vois que tu as la cote auprès des étudiantes

la polarisation ne serait qu’un effet indirect de la production d’onde cohérente. Après j’ai expérimenté avec un petit laser et j’ai constatée que le rayonnement était asse polarisée. Donc on pourrai avoir un laser donc la polarisation est complètement désordre bien sur, n’est t’il pas ?

Un rayonnement laser est, par définition et du fait même de l'origine du rayonnement, polarisé à 100%. Cependant comme je l'ai dit plus haut, les rayonnements d'autres origines (ou un rayonnement laser induisant une polarisation différente) introduisent forcément du rayonnement non cohérent, ou non polarisé de la même façon.

Il s’agit très certainement d’une erreur de langage mais, un photon, peut-il être divisible ?

Comme tu t'en doutes, un photon n'est pas divisible ; il s'agit d'une particule élémentaire. Il a une énergie à laquelle est associée une longueur d'onde. Cette énergie varie inversement à la longueur d'onde, provoquant la myriade de couleurs et de fréquences du champ électromagnétique que nous connaissons (et a priori l'énergie des photons peut varier continument).

Ce qui me perturbe, c’est que l’intensité serait elle-même quantifié. Je ne pourrai qu’avoir une intensité minimal, correspondant à l’intensité d’un photon. Où est l’erreur, d’après les observations, ce n’est que l’Energie d’un ou des photons qui est quantifié, mais non pas l’intensité. !!

Pourquoi l'énergie serait-elle quantifiée, et pas l'intensité ? Après tout, l'intensité ce n'est rien d'autre que l'énergie par unité de surface. Donc, si tu as moins de photons, l'intensité est moindre. Si tu n'as qu'un seul photon, tu as une intensité minimale, et si tu n'as aucun photon elle est nulle.

Il n'y a rien de choquant là-dedans ; l'intensité est certes quantifiée, mais si notre oeil perçoit un millier de photons en plus ou en moins il ne fait pas la différence. A notre échelle cette quantification est imperceptible, on parle de quasi-continuum d'énergie.

[Floris]

Salut konrad, merci beaucoup pour ta réponse. Bon pour ce qui concerne l’histoire de quantité de photon, je suis d’accord, ces moi qui à du mal. Faut m’excuser. De toute façon sa parait évident, parce qu’on observe bien le phénomène de diffusion touts les jours. Mais ce que je comprends pas, c’est pourquoi on ne parle jamais alors de la puissance d’un photon ??? Je parle bien là de son intensité individuel.

Il y une question que je me pose, est t’il possible de polariser un électron ? La question est sans doute ridicule, mais il me semble avoir vu quelque part dans un truc, un canon à électron polarisé.

Merci encore à vous tous.
Flo

[yahou]

Bonsoir.

Touts d’abord, J’aimerais savoir pourquoi une particules est t’elle décrite comme un point en dépit du caractère probabilisé (excusez moi du langage ) du fait de sa longueurs d’onde définit par la relation de Louis De Broglie.

Si l'on raisonne en termes de transformée de Fourier (la distribution spectrale étant la TF de la distribution spatiale), ou mieux en termes de bases de l'espace des états (mais là ça devient un peu plus compliqué du point de vue mathématique), on peut dire que considérer des particules ponctuelles ayant une distribution spatiale de probabilité ou une superposition d'ondes planes monochromatiques revient au même.

Dans l'espaces des états possibles pour la particule(si on se limite à la position), on trouve toutes les fonctions des coordonnées d'espace correspondant à une distribution de probabilité physique (c'est-à dire les fonctions normées). Pour manipuler les éléments de cet ensemble, il est utile des les décomposer sur une base. Mais il existe plusieurs décompositions possibles (une infinité même). Par exemple la base des fonctions de dirac (infinie en un point, nulle partout ailleurs, et normée à 1) correspond à une vision particulaire : chaque fonction de dirac correspond à la présence certaine d'une particule en un point donné. La base des ondes planes monochromatiques correspond quant à elle à une vision ondulatoire.

L'usage généralisé du concept de particule délocalisé est essentiellement dû à mon sens à son caractère plus intuitif : la notion de vecteur position est beaucoup plus facile à appréhender que celle de vecteur d'onde.

[Floris]

Bonjour, et merci beaucoup pour ces comentaires.
Pourrai tu me donnser quelques précisions à propo de lanotion de vecteur d'onde??
Merci encore
Floris

[yahou]

Pourrai tu me donnser quelques précisions à propo de lanotion de vecteur d'onde?

Une onde plane progressive se propage dans tout l'espace avec une direction de propagation et une longueur d'onde donnée par son vecteur d'onde k. Mais si tu connais sa valeur sur une droite dirigée par k alors tu connais sa valeur en tout point de l'espace : cette valeur est la même dans tout plan orthogonal à k. Autrement dit, l'onde plane est un phénomène parfaitement délocalisé mais dirigé (par k).

Pour revenir à la mécanique quantique, le vecteur d'onde k est associé à la quantité de mouvement p de la particule par la relation de De Broglie p=hbar.k. L'onde plane correspond donc à une particule complètement délocalisée (elle existe dans tout l'espace) mais ayant une quantité de mouvement parfaitement définie.

[Floris]

Ah, merci infiniment pour cette informations.
Il y une question que je me pose, est t’il possible de polariser un électron ? La question est sans doute ridicule, mais il me semble avoir vu quelque part dans un truc, un canon à électron polarisé.

Aussi, si l'on fait passer un électron dans un réseau, que se passe t'il? Je supose que les lignes du réseau douvent étre sufisament fines pour avoir un effet sur l'onde asocier à l'électron n'est pas?

Merci encore pout tout.
Flo

[invite143758ee]

Touts d’abord, J’aimerais savoir pourquoi une particules est t’elle décrite comme un point en dépit du caractère probabilisé (excusez moi du langage ) du fait de sa longueurs d’onde définit par la relation de Louis De Broglie.

Ce qui est marrant, c'est que la particule est vraiment un point dans l'espace des états au sens intuitif. Mais qui peut être étalé spatialement si on représente en terme de fonction de la position par exemple.

Aussi, si l'on fait passer un électron dans un réseau, que se passe t'il? Je supose que les lignes du réseau douvent étre sufisament fines pour avoir un effet sur l'onde asocier à l'électron n'est pas?

j'aime ces questions qui ammènent les grands "théorème"...
si tu continue ton raisonnement, bon tu te dis qu'un réseau a une certaine symétrie,...bon, c'est compliqué à 3D, et tu vas juste prende un réseau 1D, infini tant qu'à faire.
quel peut être l'effet du réseau sur la fonction d'onde ?
je te laisse postuler, tu pourras te dire que la fonction d'onde possède la symétrie du réseau, c'est légitime, voilà une idée du théorème de Bloch en physique du solide à la base de tous les calculs d'énergie que l'on fait aujourd'hui en physique cristalline.
ton intuition était la bonne.

[Enepemousa]

Touts d’abord, J’aimerais savoir pourquoi une particules est t’elle décrite comme un point en dépit du caractère probabilisé (excusez moi du langage ) du fait de sa longueurs d’onde définit par la relation de Louis De Broglie.

bonjour Floris,
Je voudrais simplement t'apporter un complement aux réponses déjà faites sur le sujet de la particule.
D'après la théorie des supercordes (théorie non encore demontrée) ,en effet une particule est representée non pas par un point mais par l'état d'excitation d'une corde caracterisée par un certain nombre de propriétés comme le spin, la masse...
Si ça t 'interresse il y a des postes très instructives sur cette nouvelle théorie qui tente d'expliquer l'unification de la rélativité générale et la la physique quantique.

[Floris]

Bonjour, me revoilà encore.
Touts d’abord, merci à dupo et à Enepemousa pour vos commentaires.

J’ai encore une petite question qui me perturbe.

Voila, si j’ai un photon de longueurs d’onde 3m par exemple, je voudrais savoir si la fonction d’onde est elle bien répartie sur un espace de 3m dans les trois dimensions, ou si seulement la fonction d’onde suit le vecteur k ? Voila, je sait pas ci ces très claire mais je peut développer.

Merci encore.
flo

[invitea3fc981a]

Salut Floris,

Une fonction d'onde n'est qu'un objet mathématique, à propos duquel la physique quantique postule qu'elle décrit un système... Le plus souvent elle comprend une partie réelle et une partie imaginaire, on ne peut donc pas la représenter concrètement dans notre espace à trois dimensions (on peut à la limite représenter la partie réelle ou la partie imaginaire), et quand bien même on pourrait, la fonction d'onde ne signifie rien en elle-même.

Ainsi, ne peut-on pas relier simplement la longueur d'onde d'un photon avec sa fonction d'onde ; la notion d'onde n'est qu'une image dans le terme "fonction d'onde", il faut faire très attention avec ça.

Pour atteindre quelque chose de physique, il faut en prendre le module au carré, et là tu as la probabilité de présence de ta particule dans l'espace ; c'est une fonction réelle, un champ scalaire de probabilité, que l'on peut tout à fait représenter et qui a une signification physique cette fois.

Ainsi, la longueur d'onde de ton photon (3m ou autre chose) ne détermine pas à elle seule l'extension spatiale de sa distribution de proba. Pour reprendre l'image de l'onde : imagine des vagues sur l'eau, de longueur d'onde 3 cm ; l'onde peut très bien être locale, se propager selon une direction particulière ou circulairement, ou autre... Si tu ne connais que la longueur d'onde, tu ne peux rien dire sur les propriétés de l'onde elle-même. Et encore une fois, l'image s'arrête là, il ne faut pas prendre ces analogies à la lettre.

[invite1e8ca836]

Voila, si j’ai un photon de longueurs d’onde 3m par exemple, je voudrais savoir si la fonction d’onde est elle bien répartie sur un espace de 3m dans les trois dimensions, ou si seulement la fonction d’onde suit le vecteur k ? Voila, je sait pas ci ces très claire mais je peut développer.

Bonjour
La notion de photon est complexe, en particulier, suivant les auteurs, sa fonction d'onde est ou n'est pas l'onde électromagnétique. Il est prudent de considérer que le photon est simplement l'énergie échangée par un atome qui passe d'un état STATIONNAIRE à un autre état STATIONNAIRE.
L'émission de cette énergie peut être très rapide, et alors la raie spectrale émise par l'atome est large, ou relativement lente (quelques nanosecondes), et la raie spectrale émise est fine. La localisation de l'énergie émise n'est donc pas simple.
Le problème se complique encore si on tient compte de l'émission stimulée, et de ce que l'émission "spontanée" est une émission stimulée par le champ du point zéro.
Plus haut, j'ai précisé "stationnaire" car lorsqu'un seul photon se propage dans un prisme qui le réfracte, il fournit à chaque atome du prisme une énergie transitoire de polarisation dynmique bien inférieure à un photon.