Barrière de potentiel

[Doquant]

Bonsoir à tous et bonne année !

Bien que je n'étudie pas dans le domaine de la physique (même si j'ai quelques heures dans la semaine dédiées à cette matière), j'aime beaucoup apprendre de nouvelles choses.

J'ai commencé à regarder un petit peu la mécanique quantique et plus particulièrement l'effet tunnel.

Dès le départ, on parle de barrière de potentiel. Alors ma question est la suivante : Qu'est-ce exactement une barrière de potentiel ? Est-ce matériel ou immatériel ?

Merci d'avance pour vos réponses et n'hésitez pas à me corriger si besoin !
-----

[doul11]

Bonsoir,

Quand on parle de barrière de potentiel il s'agit d'énergie potentielle, si tu jettes une pierre dans un puits elle perds de l'énergie potentielle au profit d'énergie cinétique (qui elle aussi sera transformé en une autre forme d'énergie au fond du puits). Sans apport d'énergie la pierre ne peut sortir du puits dont les parois représente une barrière de potentiel par rapport a la gravité, pas par rapport a fait que la pierre ne peut pas physiquement traverser la paroi.

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_potentielle

[Tondu]

Ce n'est pas évident à expliquer. Le concept de "barrière de potentiel" n'est pas propre à la mécanique quantique, mais concerne également la mécanique classique. Je vais donc commencer par la mécanique classique, quitte à faire quelques simplifications : ce sera moins "abstrait" dans un premier temps.

Si des gens estiment que je dis des conneries, qu'ils n'hésitent pas à "corriger" mes propos car je ne prétends pas forcément être un "expert" non plus. ^^

Tu as des barrières de potentiel de type "puits de potentiel" : il s'agit grosso modo d'une zone de l'espace dans laquelle un objet est "confiné" parce qu'il subit diverses actions mécaniques (à distance généralement). Les actions mécaniques qui "retiennent" un objet dans une zone particulière sont représentées par des "forces" ou par un autre concept lié à la force et qu'on appelle "potentiel".

Exemple : l'interaction gravitationnelle qui s'exerce sur un objet autour de la Terre (ou de n'importe quelle planète ou étoile). On dit que la Terre crée un "potentiel gravitationnel", qui est d'autant plus faible qu'on s'éloigne de la Terre (et qui présente évidemment une symétrie sphérique). Pour que l'objet se "libère" de la zone dans laquelle il est "confiné" à cause de la gravitation, il doit avoir une énergie supérieure au potentiel gravitationnel. Par contre, si son énergie est inférieure au potentiel gravitationnel, il reste confiné dans une zone géographique autour de la Terre (l'objet peut être soit en orbite autour de la Terre, soit retomber sur Terre).

Pourquoi parle-t-on de "puits de potentiel" ? Il s'agit d'une représentation abstraite mais commode pour visualiser la situation. On peut se représenter la situation "comme si" l'objet était enfermé à l'intérieur d'un "puits" ou dans le creux d'un "bol" : pour sortir du "puits", il doit "escalader la paroi", donc pour cela avoir une énergie suffisante afin d'arriver en haut et donc de sortir définitivement du puits. Attention, c'est juste une image, l'objet n'est évidemment pas enfermé dans un vrai "puits", mais on se sert de cette image pour dire que c'est "comme si l'objet était enfermé dans un puits" (les "parois" du "puits" représentant donc la courbe du "potentiel" créé par la gravitation de la Terre). Donc pour répondre à ta question, il s'agit effectivement d'une barrière "immatérielle", mais qui représente réellement une zone géographique dans laquelle l'objet est confiné.

Ce concept de "puits de potentiel" se transpose également dans la mécanique quantique. Le genre de situation qu'on rencontre, c'est par exemple une particule comme l'électron qui est "confiné" dans l'atome dont le noyau positif exercice une force électrique sur l'électron : cette force peut également être modélisée sous la forme d'un "puits de potentiel".

Par contre, tu as des "barrières de potentiel" de type "colline" : on se sert de cette image pour dire que c'est comme si la particule se trouvait sur du "plat" mais qu'une "colline" l'empêche de continuer sa route si elle n'a pas assez d'énergie pour "escalader la pente" et "passer de l'autre côté".

Exemple : Ce type de barrière de potentiel nous permet de représenter une situation comme celle où deux atomes essaient de se rapprocher pour former une molécule, par exemple deux atomes d'hydrogène pour former une molécule de dihydrogène. Mais il faut savoir que si deux atomes essaient de se rapprocher, ça veut dire que leurs cortèges électroniques respectifs se rapprochent mais ont tendance à se repousser car ils présentent tous deux des charges négatives. Pour qu'une molécule se forme, il faut d'abord "vaincre" cette "barrière de potentiel", afin que le cortège électronique (chargé négativement) de l'atome A se rapproche suffisamment du noyau (chargé positivement) de l'atome B pour être attiré par ce dernier, et vice-versa. Et bien on peut représenter cette situation sous la forme d'une "colline de potentiel" à "franchir" si on a assez d'énergie.

Bon, là je te fais surtout le raisonnement du point de vue "physique classique". En effet, si tu as effectivement entendu parler de l'"effet tunnel", tu as donc dû entendre dire qu'une particule a une probabilité de "franchir une barrière de potentiel" même si son énergie est inférieure à la "hauteur de potentiel". Pour l'instant, je ne veux pas rentrer dans cette complication, j'ai juste volontairement simplifié en essayant de t'expliquer ce que signifie le concept de "barrière de potentiel".

[albanxiii]

Bonjour,

Barrière de potentiel se rapporte au mouvement d'une particule dans une zone de l'espace où son énergie potentielle dépend des coordonnées.
En mécanique classique, l'énergie d'une particule est la somme de son énergie cinétique + potentielle.
Si la forme de l'énergie potentielle est celle d'une cuvette, la particule ne peut se déplacer que dans la zone où Ec+ Ep = E son énergie totale. Si on se place à 1D dans le cas d'un potentiel comme celui de la figure, et si l'énergie totale del a particule est E1, alors elle ne peut aller que dans la zone délimitée par le potentiel et la droite E1 (j'espère qu'avec la figure c'est clair).



On dit barrière car la particule est contrainte de rester dans une zone délimitée par l'énergie potentielle.

Maintenant, si vous prenez une particule dans une boîte, elle ne peut pas traverser les parois, et on peut les modéliser par un potentiel qui devient infini à cet endroit.

En mécanique quantique, le principe est le même, avec les subtilités quantiques en plus mais on ne va pas faire un cours ici.

Pour l'aspect classique, le cours de Landau, tome 1 mécanique, traite le problème 1D de façon générale.
Pour l'aspect quantique, le cours de Landau, tome 3, mécanique quantique, traite le problème 1 D de façon générale.
L'approche est peut-être un peu hard si vous êtes en première année, mais ça vaut la peine d'y jeter un œil.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Doquant]

Merci pour vos réponses ! C'est un peu plus clair dans ma tête maintenant ! Vous réponses se complètent et sont suffisantes pour moi !

Merci encore et bon dimanche !