Teoria kwantowa jest nazwą nadaną fizycznej teorii, która prób modelowania zachowania energii, na niewielką skalę z użyciem kwanty (mnogiej termin Łacińskiej kwantu ), ilość dyskretnych. Znane w języku angielskim pod nazwą „starej teorii kwantowej” ( wczesna teoria kwantowa ), jego wprowadzenie zdenerwowany kilka pomysłów w dziedzinie fizyki otrzymali w czasie, na początku XX e wieku. Służył jako pomost między fizyką klasyczną a fizyką kwantową , której kamień węgielny, mechanika kwantowa , narodziła się w 1925 roku.
Został zainicjowany przez Maxa Plancka w 1900 roku, następnie rozwijany głównie przez Alberta Einsteina , Nielsa Bohra , Arnolda Sommerfelda , Hendrika Anthony'ego Kramersa , Wernera Heisenberga , Wolfganga Pauliego i Louisa de Broglie w latach 1905-1924.
Fizyczny norma obowiązująca w końcu XIX th century obejmował następujące teorie:
Wiele znanych faktów doświadczalnych w końcu XIX XX wieku są niewyjaśnione ramach klasycznej teorii. Te sprzeczne fakty eksperymentalne stopniowo doprowadziły fizyków do zaproponowania nowej wizji świata, fizyki kwantowej . Główne etapy tej koncepcyjnej rewolucji miały miejsce w latach 1900-1925.
Promieniowanie ciała doskonale czarnegoPromieniujące ciało doskonale czarne to promieniowanie elektromagnetyczne wytwarzane przez ciało chłonne całkowicie w równowadze termodynamicznej z otoczeniem.
Wyobraź sobie zamkniętą komorę utrzymywaną w temperaturze : „piekarnik” i przebitą malutkim otworem. Zakłada się, że ściany pieca są całkowicie pochłaniające, wszelkie promieniowanie początkowo na zewnątrz pieca, które przenika przez otwór w kierunku wnętrza obudowy, podlega wielokrotnym odbiciom, emisjom i absorpcji przez ściany pieca, aż do osiągnięcia pełnej termizacji: obudowa a jego zawartość promieniowania jest w równowadze termicznej . Odwrotnie, niewielka część promieniowania cieplnego wewnątrz pieca może definitywnie uciec, umożliwiając ponadto jego badanie doświadczalne, w szczególności jego rozkład energii spektralnej , to znaczy gęstość energii, objętość występującą w elementarnym przedziale częstotliwości. Termodynamika pozwala wykazać, że charakterystyka tego promieniowania nie zależy od rodzaju materiału, z którego wykonane są ściany pieca, a jedynie od jego temperatury. Promieniowanie to nazywane jest promieniowaniem ciała doskonale czarnego .
Na koniec XIX XX wieku , teoria klasycznego była w stanie wyjaśnić cechy doświadczalnych promieniowania ciała doskonale czarnego: obliczanie energii emitowanej teoretycznie zmierza ku nieskończoności , co było oczywiste w sprzeczności z doświadczeniem. Ten spór został nazwany katastrofą ultrafioletową i stanowi jedną z „dwóch małych chmurek na pogodnym niebie fizyki teoretycznej” , słynne zdanie wypowiedziane przez Thomsona – alias Lord Kelvin –27 kwietnia 1900podczas konferencji. W pozostałej części swojego wystąpienia Thomson przewidział szybkie wyjaśnienie wyników eksperymentalnych w ramach teorii klasycznej. Historia dowiodła, że się mylił: zaledwie kilka miesięcy po wykładzie Thomsona, Planck wysunął śmiałą hipotezę, która doprowadziłaby do radykalnego przewrotu w krajobrazie fizyki teoretycznej.
Relacja Plancka-Einsteina (1900-1905)Zdesperowany Planck postawił hipotezę, że wymiany energii między promieniowaniem elektromagnetycznym ciała doskonale czarnego a materiałem tworzącym ściany pieca zostały określone ilościowo, to znaczy energia jest przesyłana w pakietach. Dokładniej, w przypadku promieniowania o częstotliwości monochromatycznej wymiana energii mogła zachodzić tylko w całkowitych wielokrotnościach minimalnej ilości, kwantu energii:
gdzie jest dodatnią liczbą całkowitą i nową uniwersalną stałą, zwaną dziś stałą Plancka lub kwantem działania . Ta stała jest warta:
dżul . sPrawo Plancka dla promieniowania ciała doskonale czarnego jest napisane:
będąc długością fali, T temperatura w kelwinach, h stała Plancka, c prędkość światła w próżni.
Kwantowa Hipoteza przez Max Planck została podjęta i uzupełniony przez Alberta Einsteina w 1905 roku do interpretacji efektu fotoelektrycznego.
Efekt fotoelektryczny (1905)Pod koniec XIX th wieku fizycy pamiętać, że świeci się, gdy metal ze światłem, może emitować elektrony.
Ich energia kinetyczna zależy od częstotliwości padającego światła, a ich liczba od natężenia światła, co jest trudne do zrozumienia w falowym modelu światła. W szczególności, jeśli padające światło ma częstotliwość poniżej pewnego progu, nic się nie dzieje, nawet jeśli czekamy bardzo długo. Wynik ten jest klasycznie niezrozumiały, ponieważ teoria Maxwella wiąże z falami elektromagnetycznymi gęstość energii proporcjonalną do natężenia światła, więc klasycznie możliwe jest zgromadzenie w metalu w oświetleniu tyle energii, ile chcemy, wystarczająco długo i „niezależnie od częstotliwości brane pod uwagę promieniowanie incydentalne". Nie powinno być progu.
Zainspirowany Planckiem, Einstein zaproponował w 1905 roku prostą hipotezę wyjaśniającą to zjawisko: „sam promieniowanie elektromagnetyczne jest skwantowane”, każde „ziarno światła” – które później zostanie nazwane fotonem – niesie kwant energii . Elektrony absorbujące fotony nabywają tę energię; jeśli jest większa niż ustalona energia progowa (która zależy tylko od natury metalu), elektrony mogą opuścić metal. Emitowane elektrony mają wtedy energię kinetyczną:
.Ten artykuł przyniósł Einsteinowi tytuł doktora fizyki teoretycznej w 1905 roku i Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1921 roku .
Stabilność atomówDwie poważne problemy pojawiły się pod koniec XIX XX wieku z atomami , składający się z szeregu jednorazowych ujemnie naładowanych elektronów i punktem jak jądra, dodatnio naładowane:
To Duńczyk Niels Bohr jako pierwszy zaoferuje półklasyczny model, który pozwoli obejść te trudności.
Bohra model atomu wodoru jest modelem, który wykorzystuje dwa różne składniki:
Egzotyczna mieszanka tych składników daje spektakularne rezultaty: zgodność z doświadczeniem jest rzeczywiście doskonała.
Sommerfeld udoskonali model Bohra w dwóch krokach:
Włączenie efektów relatywistycznych sprawi, że porównanie z wynikami eksperymentów będzie jeszcze lepsze.
Chociaż było jasne, że światło przedstawia dualizm falowo-cząsteczkowy , Louis de Broglie zaproponował odważne uogólnienie tej dualności na wszystkie znane cząstki.
W swojej tezie z 1923 r. de Broglie powiązał z każdą materialną cząstką energii częstotliwość zgodną ze wspomnianą już relacją Plancka-Einsteina, a nowym faktem zaproponował powiązanie z impulsem nierelatywistycznej masywnej cząstki długości fali , zgodnie z do prawa:
To był kolejny rewolucyjny krok. Paul Langevin natychmiast kazał odczytać tezę de Broglie Einsteinowi, który oświadczył: „On [de Broglie] podniósł róg grota. Falowy charakter elektronu zostanie bezpośrednio potwierdzony eksperymentalnie eksperymentem dyfrakcji elektronów na krysztale przeprowadzonym przez Davissona i Germera w 1927 roku.
Relacje De Brogliego można również napisać:
pod względem częstotliwości kątowej: oraz wektora falowego , którego normą jest: .
Te elektrony , naładowane cząstki oddziałują ze światłem, zwykle opisany przez pola elektromagnetyczne. Jednak fizyka klasyczna nie może wyjaśnić obserwowanej zmienności długości fali promieniowania w funkcji kierunku dyfuzji. Prawidłowa interpretacja tego eksperymentalnego faktu zostanie podana przez Comptona i jego współpracowników pod koniec eksperymentów przeprowadzonych w latach 1925-1927.
Efekt ten, nazwany na jego cześć efekt Comptona , jest dobrze opisane przez rozważenie foton -electron szoku , jak wstrząs między dwiema cząstkami foton niesie kwant energii i kwant pędu . Fotony są rozpraszane w różnych kierunkach i wykazują zmienność długości fali, która zależy od kierunku rozpraszania.