Comment comprendre la physique quantique?

En mécanique quantique, le quantum d'action est la constante de Planck, généralement notée h.

La physique quantique (également appelée théorie quantique ou mécanique quantique) est une branche de la physique fournissant une description du comportement et de l'interaction de la matière et de l'énergie à l'échelle des particules subatomiques, des photons et de certains matériaux à très basse température. Le domaine quantique est défini comme étant l'endroit où "l'action" (ou parfois le moment angulaire) de la particule se situe à quelques ordres de grandeur d'une très petite constante physique appelée constante de Plank.

Partie 1 sur 8: constante de Planck

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Commencez par vous renseigner sur la signification physique de la constante de Planck. En mécanique quantique, le quantum d'action est la constante de Planck, généralement notée h. De même, pour l' interaction des particules subatomiques, le quantum de moment cinétique est la constante de Planck réduite (la constante de Planck divisée par 2π) désigné par ħ et appelé «h-bar». La valeur de la constante de Planck est extrêmement petite, ses unités sont celles du moment cinétique et la notion d'action est le concept mathématique le plus général. Comme le nom de la mécanique quantique l' indique, certaines quantités physiques telles que le moment cinétique ne peuvent changer que de manière discrète.quantités, et non de façon continue (cf. analogique).
- Par exemple, le moment angulaire d'un électron lié à un atome ou à une molécule est quantifié et ne peut avoir que des valeurs qui sont des multiples de la constante de Planck réduite. Cette quantification donne lieu à des orbitales électroniques d'une série de nombres quantiques primaires entiers. En revanche, le moment angulaire d'un électron non lié proche n'est pas quantifié. La constante de Planck joue également un rôle dans la théorie quantique de la lumière, où le quantum de lumière est le photon et où la matière et l'énergie interagissent via la transition électronique atomique ou «saut quantique» de l'électron lié.
- Les unités de la constante de Planck peuvent également être considérées comme l'énergie multipliée par le temps. Par exemple, dans le domaine de la physique des particules, la notion de particules virtuelles sont des particules en désordre qui apparaissent spontanément hors du vide sur une infime fraction d'une section et jouent un rôle dans une interaction particulaire. La limite de la durée de vie de ces particules virtuelles est l'énergie (masse) de la particule multipliée par cette durée de vie. La mécanique quantique est un vaste domaine mais chaque partie de ses mathématiques implique la constante de Planck.
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En savoir plus sur les particules massives. Les particules de masse passent par une transition classique-quantique. Même si l'électron libre affiche certaines propriétés quantiques (comme le spin), à mesure que l'électron non lié s'approche de l'atome et ralentit (peut-être en émettant des photons), il subit une transition du comportement classique au comportement quantique lorsque son énergie passe en dessous de l'énergie d'ionisation. L'électron est alors lié à l'atome et son moment cinétique par rapport au noyau atomique est restreint aux valeurs quantifiées des orbitales qu'il peut occuper. La transition est soudaine. On pourrait comparer cette transition avec celle d'un système mécanique qui passe d'un comportement instable à un comportement stable ou d'un comportement simple à un comportement chaotique, ou même d'une fusée ralentissant et passant en dessous. vitesse d'échappement et entrée en orbite autour d'une étoile ou d'un autre objet céleste. En revanche, les photons (qui sont sans masse) ne passent pas par une telle transition: les photons voyagent simplement dans l'espace sans changement jusqu'à ce qu'ils interagissent avec d'autres particules puis disparaissent. Lorsque vous regardez dans le ciel nocturne, les photons d'une étoile ont voyagé à travers des années-lumière d'espace sans changement, puis ont interagi avec un électron dans une molécule de votre rétine, transféré son énergie puis disparu autrement.

Partie 2 sur 8: idées nouvelles

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Découvrez les nouvelles idées présentées dans la théorie quantique. Vous devrez les connaître, parmi lesquels:
1. Le royaume quantique suit des règles assez différentes du monde quotidien que nous vivons.
2. L'action (ou moment angulaire) n'est pas continue, mais se présente en unités petites mais discrètes.
3. Les particules élémentaires se comportent à la fois comme des particules et comme des ondes.
4. Le mouvement d'une particule spécifique est intrinsèquement aléatoire et ne peut être prédit qu'en termes de probabilités.
5. Il est physiquement impossible de mesurer simultanément la position et la quantité de mouvement d'une particule au-delà de la précision permise par la constante de Planck. Plus l'un est connu avec précision, moins la mesure de l'autre est précise.

Quelle est la meilleure façon de comprendre la physique quantique?

Partie 3 sur 8: dualité particule et onde

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Étudiez le concept de dualité particule-onde. Cela postule que toute matière présente à la fois des propriétés d'onde et de particules. Concept central de la mécanique quantique, cette dualité aborde l'incapacité des concepts classiques comme «particule» et «onde» à décrire pleinement le comportement des objets à l'échelle quantique.
- Pour une connaissance complète de la dualité de la matière, il faut avoir les concepts d'effet Compton, d'effet photoélectrique, de longueur d'onde de de Broglie et de formule de Planck pour le rayonnement du corps noir. Tous ces effets et théories prouvent la double nature de la matière.
- Il existe différentes expériences de lumière établies par des scientifiques qui prouvent que la lumière a une double nature, c'est-à-dire une nature particulaire et ondulatoire... En 1901, Max Planck publia une analyse qui réussit à reproduire le spectre observé de la lumière émise par un objet incandescent. Pour ce faire, Planck a dû faire une hypothèse mathématique ad hoc d'action quantifiée des oscillateurs (atomes du corps noir) qui émettent un rayonnement. C'est Einstein qui a proposé plus tard que c'est le rayonnement électromagnétique lui-même qui est quantifié en photons.

Partie 4 sur 8: incertitude

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Étudiez le principe d'incertitude. Le principe d'incertitude stipule que certaines paires de propriétés physiques, telles que la position et la quantité de mouvement, ne peuvent pas être connues simultanément avec une précision arbitrairement élevée..En physique quantique, une particule est décrite par un paquet d'ondes, ce qui donne lieu à ce phénomène. Considérons la mesure de la position d'une particule. Cela pourrait être n'importe où. Le paquet d'ondes de la particule a une amplitude non nulle, ce qui signifie que la position est incertaine - elle pourrait être presque n'importe où le long du paquet d'ondes. Pour obtenir une lecture précise de la position, ce paquet d'ondes doit être «compressé» autant que possible, c'est-à-dire qu'il doit être constitué d'un nombre croissant d'ondes sinusoïdales additionnées. La quantité de mouvement de la particule est proportionnelle au nombre d'ondes de l'une de ces ondes, mais il pourrait s'agir de n'importe laquelle d'entre elles. Ainsi, une mesure de position plus précise - en additionnant plus de vagues - signifie que la mesure de la quantité de mouvement devient moins précise (et vice versa).

Une fonction d'onde ou fonction d'onde est un outil mathématique en mécanique quantique qui décrit l'état quantique d'une particule ou d'un système de particules.

Partie 5 sur 8: fonction d'onde

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En savoir plus sur la fonction d'onde. Une fonction d'onde ou fonction d'onde est un outil mathématique en mécanique quantique qui décrit l'état quantique d'une particule ou d'un système de particules. Il est communément appliqué comme une propriété des particules relative à leur dualité onde-particule, où il est noté ψ(position,temps) et où |ψ| ² est égal à la chance de trouver le sujet à un certain moment et à une certaine position.
- Par exemple, dans un atome avec un seul électron, comme l'hydrogène ou l'hélium ionisé, la fonction d'onde de l'électron fournit une description complète du comportement de l'électron. Il peut être décomposé en une série d'orbitales atomiques qui forment une base pour les fonctions d'onde possibles. Pour les atomes avec plus d'un électron (ou tout système avec plusieurs particules), l'espace sous-jacent correspond aux configurations possibles de tous les électrons et la fonction d'onde décrit les probabilités de ces configurations.
- Pour résoudre des problèmes de devoirs impliquant la fonction d'onde, la familiarité avec les nombres complexes est une condition préalable. D'autres prérequis incluent les mathématiques de l'algèbre linéaire, la formule d'Euler à partir de l'analyse complexe et la notation bra-ket.

Partie 6 sur 8: équation de Schrödinger

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Comprendre l'équation de Schrödinger. C'est une équation qui décrit comment l'état quantique d'un système physique change dans le temps. Elle est aussi centrale à la mécanique quantique que les lois de Newton le sont à la mécanique classique. Les solutions de l'équation de Schrödinger décrivent non seulement les systèmes moléculaires, atomiques et subatomiques, mais aussi les systèmes macroscopiques, voire l'univers entier.
- La forme la plus générale est l'équation de Schrödinger dépendante du temps qui donne une description d'un système évoluant avec le temps.
- Pour les systèmes à l'état stationnaire, l'équation de Schrödinger indépendante du temps est suffisante. Solutions approximatives à l'indépendant du temps. Les équations de Schrödinger sont couramment utilisées pour calculer les niveaux d'énergie et d'autres propriétés des atomes et des molécules.

L'énergie interagissent via la transition électronique atomique ou «saut quantique» — La constante de Planck joue également un rôle dans la théorie quantique de la lumière, où le quantum de lumière est le photon et où la matière et l'énergie interagissent via la transition électronique atomique ou «saut quantique» de l'électron lié.

Partie 7 sur 8: superposition quantique

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Comprendre la superposition quantique. La superposition quantique fait référence à la propriété mécanique quantique des solutions de l'équation de Schrödinger. Puisque l'équation de Schrödinger est linéaire, toute combinaison linéaire de solutions à une équation particulière en sera également une solution. Cette propriété mathématique des équations linéaires est connue sous le nom de principe de superposition. En mécanique quantique, de telles solutions sont souvent rendues orthogonales, comme les niveaux d'énergie d'un électron. Ce faisant, l'énergie de chevauchement des états est annulée et la valeur attendue d'un opérateur (n'importe quel état de superposition) est la valeur attendue de l'opérateur dans les états individuels, multipliée par la fraction de l'état de superposition qui est "dans" ce Etat.

Lisez aussi: Comment calculer la masse atomique?

Partie 8 sur 8: ignorer l'image classique

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Abandonnez les notions classiques de la physique. En mécanique quantique, le chemin de la particule est idéalisé de manière totalement différente et l'ancienne théorie quantique n'est qu'un modèle jouet pour comprendre l'hypothèse atomique.
- Dans QM, le chemin de la particule est imaginé comme si elle avait parcouru de nombreux chemins, en mécanique classique le chemin de la particule est déterminé par sa trajectoire mais, dans QM, il existe plusieurs chemins dans lesquels la particule peut voyager. Cette vérité est cachée dans l'expérience à double fente et dans laquelle l'électron se comporte comme une dualité de particule d'onde et cette idée est clairement expliquée par l'intégrale de chemin de Feynman.
- Dans QM, la constante de normalisation garantit que la probabilité de trouver la particule est de 1.
- Ignorez complètement le "modèle jouet" (modèle de Bohr) pour comprendre le niveau supérieur de QM La raison est simple - vous ne pouvez pas déterminer le chemin exact de l'électron à divers niveaux orbital.
- Si le QM se rapproche de la limite classique (c'est-à-dire que h tend vers zéro, les résultats du QM se rapprochent quelque peu des résultats qui sont plus proches du classique.
- En QM, le résultat classique est obtenu en utilisant la valeur attendue et le meilleur exemple est le théorème d'Ehrenfest. Il est dérivé à l'aide de la méthode de l'opérateur.

Conseils

Résoudre les problèmes numériques de la physique au lycée en tant que pratique pour le travail requis pour résoudre les mathématiques en physique quantique.

Certains des prérequis de la physique quantique incluent les concepts de mécanique classique, hamiltonienne et différentes propriétés des ondes comme l'interférence, la diffraction, etc. Consultez les manuels et ouvrages de référence appropriés ou demandez à votre professeur de physique. Il faut acquérir une solide compréhension de la physique au lycée et des prérequis de la physique au lycée. Vous aurez besoin d'apprendre un peu de mathématiques au niveau collégial.