Histoire de la mécanique quantique
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2008-07-03T16:21:23Z
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robot Ajoute: [[bn:কোয়ান্টাম বলবিজ্ঞানের ইতিহাস]]
[[Image:Bohr Model.svg|thumb|250px|right|Le ''modèle quantique d'atome'' de 1913 de [[Niels Bohr]], incorporant l'explication de la [[formule de Rydberg]] de 1888, l'hypothèse quantique de 1900 de [[Max Planck]], i.e. que les radiations d'énergies atomiques ont des valeurs discrètes (''ε = hν''), le [[modèle de plum pudding]] de 1904 de [[J.J. Thomson]], le postulat des [[Théorie des quanta|quanta de lumière]] de 1905 d'[[Albert Einstein]] et la découverte du [[noyau atomique]] positif de 1907 par [[Ernest Rutherford]].]]
L''''histoire de la [[mécanique quantique]]''' commence essentiellement par les évènements suivants : en 1838 avec la découverte des [[rayon cathodique|rayons cathodiques]] par [[Michael Faraday]], durant l'hiver 1859-1860 avec l'énoncé du problème du [[corps noir]] par [[Gustav Kirchhoff]], la suggestion en 1877 de [[Ludwig Boltzmann]] que les états d'énergie d'un système physique puissent être discrets, et l'hypothèse quantique de [[Max Planck]] stipulant que tout système atomique irradiant de l'énergie peut être divisé en {{guil|éléments d'énergie}} discrets ''ε'' tels que chacun de ces éléments est proportionnel à la [[fréquence]] ''ν'' avec laquelle chacun irradie individuellement son énergie, comme défini dans la formule suivante :
:<math> \epsilon = h \nu \, </math>
où ''h'' est une valeur numérique appelée [[constante de Planck]]. En 1905, afin d'expliquer l'[[effet photoélectrique]] (1839), c'est-à-dire que l'irradiation lumineuse de certains matériaux puissent en éjecter des électrons, [[Albert Einstein]] postula, en se basant sur l'hypothèse quantique de Planck, que la [[lumière]] elle-même se composait de particules individuelles quantifiées, appelées par la suite [[photon]]s (1926). L'expression de {{guil|mécanique quantique}} fut utilisée pour la première fois en 1924 par [[Max Born]] dans son article ''Zur Quantenmechanik''. Dans les années qui suivirent, cette base théorique commença à être appliquée à la structure, à la réactivité et à la liaison chimiques.
== Un survol de l'histoire==
En bref, en 1900, le physicien allemand [[Max Planck]] introduisit l'idée de quantification de l'énergie, afin de proposer une formule pour la dépendance en fréquence observée pour l'énergie émise par le [[corps noir]]. En 1905, [[Albert Einstein]] expliqua l'[[effet photoélectrique]] en postulant que la lumière, ou plus généralement toute [[radiation électromagnétique]], peut être divisé en un nombre fini de {{guil|quanta d'énergie}} qui sont des points localisés dans l'espace. Dans l'introduction de son article de mars 1905, ''Sur un point de vue heuristique concernant l'émission et la transformation de la lumière'', Albert Einstein indiqua :
{{citation|Selon le postulat que l'on peut consulter ici, lorsqu'un rayon de lumière est diffusé à partir d'un point, l'énergie n'est pas distribuée continûment sur des espaces toujours croissants, mais consiste en un nombre fini de ''quanta d'énergie'' qui sont localisés en des points de l'espace, se déplaçant sans être divisés, et qui peuvent être absorbés ou générés seulement comme un tout.}}<br>
Ce postulat a été considéré comme la phrase la plus révolutionnaire écrite par un physicien au cours du {{s-|XX|e}} siècle<ref>{{ouvrage|auteur=Albrecht Folsing|titre=Albert Einstein: A Biography|éditeur= trans. Ewald Osers, Viking |année = 1997}}</ref>. Ces ''quanta d'énergie'' seront appelés plus tard {{guil|photons}}, terme introduit par [[Gilbert Newton Lewis]] en 1926. L'idée que chaque photon est équivalent à une énergie en terme de quanta est une découverte remarquable car elle supprimait la possibilité pour le rayonnement du corps noir d'atteindre une énergie infinie (phénomène de ''[[catastrophe ultraviolette]]''), ce qui était possible s'il était explicité en termes d'ondes seulement. En 1913, [[Niels Bohr]] expliqua les [[Raie spectrale|raies spectrales]] de l'[[atome]] d'[[hydrogène]], en utilisant de nouveau la quantification, dans son article de juillet 1913 ''On the Constitution of Atoms and Molecules''<ref>En francais : ''sur la constitution des atomes et molécules''.</ref>.<br>
Ces théories, bien que pertinentes, étaient strictement [[phénoménologie (science)|phénoménologiques]] : il n'existait pas de justification rigoureuse pour la quantification (à part peut-être la discussion dans l'article ''Sur la théorie des quanta'' de 1912 d'[[Henri Poincaré]]). Elles sont connues sous la désignation d'''ancienne théorie quantique''.<br>
L'expression {{guil|physique quantique}} fut employée pour la première fois dans le ''Planck's Universe in Light of Modern Physics'' de Johnston (1931).
En 1924, le physicien français [[Louis de Broglie]] proposa [[Hypothèse de De Broglie|sa théorie]] d'ondes de matière en postulant que les particules pouvaient montrer des caractéristiques ondulatoires, et vice-versa pour la lumière. Cette théorie valait pour toute matière, était directement issue de la théorie de la [[relativité restreinte]], mais n'était pas algébriquement maniable, notamment dans le cadre d'une interaction entre la particule et un champ de force.<br />
Construite sur l'approche de de Broglie, la mécanique quantique moderne naquit en 1925, lorsque les physiciens allemands [[Werner Heisenberg]] et [[Max Born]] développèrent la [[mécanique matricielle]] et le physicien autrichien [[Erwin Schrödinger]] inventa la [[mécanique ondulatoire]] et proposa l'[[équation de Schrödinger|équation dite de Schödinger]] non-relativiste comme approximation à la généralisation de la théorie de de Broglie (voir Hanle (1977)). Erwin Schrödinger démontra par la suite que les deux approches étaient équivalentes.<br>
Werner Heisenberg formula son [[principe d'incertitude]] en 1927, et l'interprétation de Copenhague commença à prendre forme à peu près à la même époque. À partir de 1926 environ, avec l'[[équation de Klein-Gordon]], puis avec l'[[équation de Dirac]] (1927) pour l'[[électron]], commença le processus d'unification de la mécanique quantique et de la relativité restreinte. Cette dernière équation permit la description relativiste de la fonction d'onde électronique que Schrödinger avait échoué à obtenir. Elle prédisait le [[spin]] électronique et conduisit [[Paul Dirac]] à postuler l'existence du [[positron]]. Il initia l'utilisation de la théorie de l'opérateur, y incluant l'influente [[notation bra-ket]], comme décrite dans son fameux livre de 1930. Dans la même période, le mathématicien hongrois [[John von Neumann]] formula la base mathématique rigoureuse pour la mécanique quantique comme théorie d'[[opérateur (mathématiques)|opérateur]]s linéaires sur des [[espace de Hilbert|espaces de Hilbert]], comme il le décrivit dans son célèbre livre de 1932. Ces travaux, comme d'autres de la période de fondation sont toujours valables et largement utilisés.
Le champ plus spécifique de la [[chimie quantique]] fut abordé initialement par les physiciens [[Walter Heitler]] et [[Fritz London]], qui publièrent une étude de la [[liaison covalente]] de la molécule de [[dihydrogène]] en 1927. La chimie quantique fut par la suite développée par un nombre importants de chercheurs, comme le chimiste théoricien américain [[Linus Pauling]] à [[Cal Tech]], et [[John Clark Slater|John Slater]] dans de nombreuses théories comme la [[théorie de l'orbitale moléculaire]] ou la théorie de la [[valence (chimie)|valence]].<br>
Dès 1927, des essais furent effectués pour appliquer la mécanique quantique à des champs plutôt qu'à de simples particules, donnant naissance à ce qui est connu sous le nom générique de [[théorie quantique des champs]]. Des chercheurs comme [[Paul Dirac|P.A.M. Dirac]], [[Wolfgang Pauli|W. Pauli]], [[Victor Weisskopf|V. Weisskopf]], et [[Pascual Jordan|P. Jordan]] comptent parmi les pionniers de cette discipline. Cette voie de recherche atteint son apogée avec la formulation de l'[[électrodynamique quantique]] par [[Richard Feynman|R.P. Feynman]], [[Freeman Dyson|F. Dyson]], [[Julian Schwinger|J. Schwinger]], et [[Sin-Itiro Tomonaga|S.I. Tomonaga]] au cours des années 1940. L'électrodynamique quantique est une théorie quantique des [[électron]]s, [[positron]]s et du [[champ électromagnétique]], et servit de modèle de base pour des théories du champ quantique plus poussées. La théorie de la [[chromodynamique quantique]] fut énoncée au début des années 1960. La théorie que nous connaissons aujourd'hui fut formalisée par [[H. David Politzer|Politzer]], [[David J. Gross|Gross]] et [[Frank Wilczek|Wilzcek]] en 1975. En se basant sur le travail pionnier de [[Julian Schwinger|Schwinger]], [[Peter Higgs|Higgs]], [[Jeffrey Goldstone|Goldstone]], [[Sheldon Lee Glashow|Glashow]], [[Steven Weinberg|Weinberg]] et [[Abdus Salam|Salam]] montrèrent de manière indépendante comment la force nucléaire faible et l'électrodynamique quantique pouvaient être fusionnées en la seule [[force électrofaible]].
== Chronologie ==
La chronologie suivante montre les étapes clés et les contributeurs dans le développement de la [[mécanique quantique]] et la [[chimie quantique]].
{| class="wikitable" |-valign="top"
|width="4%"|'''Date'''
|width="13%"|'''Personne'''
|width="83%"|'''Contribution'''
|-valign="top"
|'''1771'''
|[[Luigi Galvani]]
| Note que les muscles des grenouilles mortes s'agitent lorsqu'elles sont touchées par une [[décharge]], qu'il appela [[galvanisme|électricité animale]].
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|'''1800'''
|[[Alessandro Volta]]
| Invente la [[pile voltaïque]], ou {{guil|batterie}}, dans le but de contrer la théorie de Galvani sur l'électricité animale.
|-valign="top"
|'''1838'''
|[[Michael Faraday]]
| Utilisant la batterie de Volta, il découvrit les [[rayon cathodique|rayons cathodiques]] lorsque, durant une expérience, il fit passer du courant au travers un tube de verre contenant de l'air raréfié et aperçu un arc lumineux étrange partant de l'[[anode]] (électrode négative) et se terminant à la [[cathode]] (électrode positive).
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|'''1852'''
|[[Edward Frankland]]
|Initia la théorie de la [[valence (chimie)|valence]] en proposant que chaque élément chimique posséda une {{guil|puissance combinatrice}}, e.g. certains éléments comme l'azote tend à se combiner à trois autres éléments (e.g. ''NO<sub>3</sub>'') alors que d'autres peuvent se combiner avec cinq autres éléments (e.g. ''PO<sub>5</sub>''), et que chaque élément tend à remplir son pouvoir de combinaison (valence) afin de satisfaire ses affinités.
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|'''1859'''
|[[Gustav Kirchhoff]]
|Posa le problème du corps noir, c'est-à-dire comme l'intensité du [[rayonnement électromagnétique]] émis par un [[corps noir]] dépend de la [[fréquence]] de la radiation et de la température du corps.
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|'''1877'''
|[[Ludwig Boltzmann]]
|Suggéra que les états d'énergie d'un système physique peuvent être discrets.
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|'''1879'''
|[[William Crookes]]
|Montra que les rayons cathodiques, contrairement aux rayons lumineux, pouvaient être courbés dans un [[champ magnétique]].
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|'''1885'''
|[[Johann Balmer]]
|Découvrit que les quatre bandes visibles du spectre de l'hydrogène pouvaient être assignés à des [[entier]]s dans une [[série de Balmer|série]].
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|'''1888'''
|[[Johannes Rydberg]]
|Modifia la formule de Balmer afin d'inclure d'autres séries de bandes afin de donner la [[formule de Rydberg]].
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|'''1891'''
|[[Alfred Werner]]
|Proposa une théorie de l'[[affinité]] et de la valence dans laquelle l'affinité est une force attractive issue du centre de l'atome agissant uniformément à partir de toutes les parties de la surface sphérique de l'atome central.
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|'''1892'''
|[[Heinrich Hertz]]
|Montra que les rayons cathodiques pouvaient traverser de fines feuilles d'or et produire une luminosité appréciable sur du verre située entre elles.
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|'''1896'''
|[[Henri Becquerel]]
|Découvrit la [[radioactivité]], processus durant lequel, en raison de la désintégration nucléaire, certains [[élément chimique|éléments chimiques]] ou [[isotope]]s émettent spontanément un des trois types d'entités énergétiques : les [[particule alpha|particules alpha]] (charge positive), les [[particule bêta|particules bêta]] (charge négative), et les [[particule gamma|particules gamma]] (charge neutre).
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|'''1897'''
|[[Joseph John Thomson]]
|Montra que les rayons cathodiques se courbaient sous l'influence conjuguée d'un [[champ électrique]] et d'un [[champ magnétique]] et afin de l'expliquer il suggéra que ces rayons cathodiques sont des particules électriques subatomiques chargées négativement ou {{guil|corpuscules}} (électrons) arrachés de l'atome ; et en 1904, proposa le ''[[modèle de plum pudding]]'' dans lequel les atomes sont des masses amorphes positivement charges (pudding) dans lesquelles des électrons négativement chargés (raisins) sont dispersés sous la forme d'anneaux tournants non aléatoires.
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|'''1900'''
|[[Max Planck]]
|Suggéra, afin d'expliquer le rayonnement du [[corps noir]], que l'énergie électromagnétique ne pouvait être émise que sous forme quantifiée, i.e. que l'énergie pouvait être seulement multiple d'une unité élémentaire ''E = hν'', dans laquelle ''h'' est la [[constante de Planck]] et ''ν'' la fréquence de radiation.
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|'''1902'''
|[[Gilbert N. Lewis]]
|Afin d'expliquer la [[règle de l'octet]] (1893), développa la [[théorie de l'atome cubique]] dans laquelle les électrons, sous formes de points, se positionnaient aux sommets d'un cube et suggéraient que les [[liaison covalente|liaisons covalentes]] simples, doubles ou triples se produisaient lorsque deux atomes étaient maintenus ensemble par plusieurs paires d'électrons (une pour chaque liaison) localisées entre les deux atomes (1916).
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|'''1904'''
|[[Richard Abegg]]
|Remarqua le fait que la différence entre la valence maximale positive, comme par exemple +6 pour ''H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>,'' et la valence maximale négative, comme par exemple -2 pour ''H<sub>2</sub>S'', d'un élément tend à être huit ([[loi d'Abegg]]).
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|'''1905'''
|[[Albert Einstein]]
|Afin d'expliquer l'[[effet photoélectrique]] (1839), i.e. que la lumière arrivant sur certains matériaux pouvaient éjecter des électrons de celui-ci, postula à partir de l'hyporthèse quantique de Planck que la [[lumière]] elle-même était constituée de particules individuelles quantiques (photons).
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|'''1907'''
|[[Ernest Rutherford]]
|Afin de tester le modèle de plum pudding (1904), tira des [[particule alpha|particules alpha]] positivement chargées sur une feuille d'or et remarqua que certaines repartaient en arrière, montrant ainsi que les atomes possèdent un [[noyau atomique]] de petite taille et chargé positivement en leurs centres.
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|'''1913'''
|[[Niels Bohr]]
|Afin d'expliquer la [[formule de Rydberg]] (1888), qui modélisait correctement le spectre d'émission lumineuse de l'atome d'hydrogène, supposa que les électrons négativement chargés tournaient autour d'un noyau positivement chargé à certaines distances quantifiées fixes et que chacune de ces {{guil|orbites sphériques}} possédait une énergie associée telle que les mouvements électroniques entre les orbites nécessitent des émissions ou des absorptions quantifiées d'énergie.
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|'''1916'''
|[[Arnold Sommerfeld]]
|Afin de prendre en compte l'[[effet Zeeman]] (1896), i.e. que les bandes spectrales d'absorption ou d'émission atomique changent lorsque la lumière est d'abord passée au travers d'un champ magnétique, suggéra qu'il put y avoir des {{guil|orbitales elliptiques}} dans les atomes en plus des orbitales sphériques.
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|'''1919'''
|[[Irving Langmuir]]
|Se basant sur le travail de Lewis (1916), proposa le terme de {{guil|[[covalence]]}} et postula que la formation d'une [[liaison covalente de coordination]] lorsque les électrons d'une paire proviennent du même atome.
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|'''1922'''
|[[Otto Stern|Stern]] et [[Walther Gerlach|Gerlach]]
|Proposèrent l'[[expérience de Stern et Gerlach]], durant laquelle les valeurs discrètes de moments angulaires pour des atomes à l'état fondamental sont détectées par passage dans un champ magnétique inhomogène, conduisant à la découverte du [[spin]] de l'électron.
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|'''1923'''
|[[Louis de Broglie]]
|[[hypothèse de De Broglie|Postula]] que les électrons en mouvement sont associés avec des ondes dont les longueurs d'ondes sont données par la constante de Planck ''h'' divisée par la quantité de mouvement ''mv = p'' de l'électron : ''λ = h / mv = h / p''.
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|'''1925'''
|[[Friedrich Hund]]
|Mit en lumière la [[règle de multiplicité maximale]] qui indique que lorsque les électrons sont ajoutés successivement à un atome, les niveaux ou orbitales sont occupées par un électron seul tant que c'est possible avant que appariement d'électrons avec spins opposés et fait ainsi la distinction entre les électrons internes dans les molécules restant dans les [[orbitale atomique|orbitales atomiques]] et les [[électron de valence|électrons de valence]] se plaçant dans les [[orbitale moléculaire|orbitales moléculaires]] impliquant les deux noyaux.
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|'''1925'''
|[[Wolfgang Pauli]]
|Formula le [[Principe d'exclusion de Pauli|principe d'exclusion]] stipulant que deux [[fermion]]s identiques ne peuvent occuper le même état quantique simultanément.
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|'''1926'''
|[[Erwin Schrödinger]]
|Utilisa le postulat d'équivalence onde-matière de de Broglie pour développer une [[équation de Schrödinger|équation d'onde]] représentant mathématiquement la distribution d'une charge d'un électron sur l'espace, symétrique sphériquement ou proéminente selon certaines directions, i.e. les [[théorie de la liaison de valence|liaisons de valence dirigées]], donnant les valeurs corrects pour les bandes spectrales de l'atome d'hydrogène.
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|'''1927'''
|[[Walter Heitler]]
|Utilisa l'équation de Schrödinger pour montrer comment les [[fonction d'onde|fonctions d'ondes]] de deux atomes d'hydrogène se rejoignaient, avec des termes plus, moins et d'échange, pour former une [[liaison covalente]].
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|'''1927'''
|[[Robert Mulliken]]
|Travailla à développer, avec [[Friedrich Hund|Hund]], une théorie de l'orbitale moléculaire dans laquelle les électrons étaient assignés à des états s´étendant sur une molécule dans son ensemble et en 1932 introduisit les terminologies d'orbitales moléculaires, comme [[liaison σ]], [[liaison π]], et [[liaison δ]].
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|'''1928'''
|[[Linus Pauling]]
|Éclaira la nature de la [[liaison chimique]] pour laquelle il utilisa le modèle de liaison covalente quantique de Heitler pour montrer la base [[mécanique quantique|quantique]] de tous les types de structures moléculaires et de liaisons et suggéra que les différents types de liaisons dans les molécules pourraient être égalisées par une permutation rapide des électrons, processus appelé [[Mésomérie|résonance]] (1931), de tels hybrides de résonance contenant des contributions des différentes configurations électroniques possibles.
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|'''1929'''
|[[John Lennard-Jones]]
|Introduisit l'approximation de la [[combinaison linéaire d'orbitales atomiques]] pour le calcul des [[orbitale moléculaire|orbitales moléculaires]].
|-valign="top"
|'''1932'''
|[[Werner Heisenberg]]
|Appliqua la [[théorie des perturbations|théorie des perturbations]] au problème à deux électrons et montra que la [[mésomérie|résonance]] provenant de l'échange électronique pouvait expliquer les [[Interaction d'échange|forces d'échange]].
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|'''1938'''
|[[Charles Coulson]]
|Fit la premier calcul précis d'une [[fonction d'onde]] d'[[orbitale moléculaire]] avec le [[dihydrogène]].
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|'''1951'''
|[[Clemens Roothaan]] et [[George G. Hall|George Hall]]
|Établirent les [[équations de Roothaan-Hall]], donnant une base solide aux méthodes d'orbitales moléculaires.
|}
== Les expériences {{guil|fondatrices}} ==
* Expérience des [[fentes de Young|fentes]] de [[Thomas Young|Young]] démontrant la nature ondulatoire de la lumière (1805).
* Découverte de la [[radioactivité]] par [[Henri Becquerel]] (1896).
* Expériences de [[Joseph John Thomson]] sur les rayons cathodiques : découverte de l'électron et de sa charge négative (1897).
* Étude du rayonnement du [[corps noir]] entre 1850 et 1900, qui ne peut être expliqué sans concepts de quantification.
* Explication de l'[[effet photoélectrique]] par [[Albert Einstein]] en 1905 pour laquelle il recevra le prix Nobel de physique, employant les concepts de photons, particules de lumières à énergie quantifiée.
* [[Expérience de la goutte d'huile de Millikan|Expérience de la goutte d'huile]] de [[Robert Millikan]], montrant la quantification de la charge électrique (1909).
* [[Expérience de Rutherford|Expérience]] d'[[Ernest Rutherford]] réfutant le modèle de plum pudding de l'atome qui suggérait que la masse et la charge positive de l'atome était distribuée uniformément (1911).
* [[Expérience de Stern et Gerlach]] démontrant la nature quantique du [[spin]] (1920).
* [[Clinton Davisson]] et [[Lester Germer]] démontre la nature ondulatoire de l'[[électron]]<ref>{{en}} [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/davger2.html The Davisson-Germer experiment, which demonstrates the wave nature of the electron]</ref> dans une [[expérience de Davisson-Germer|expérience]] de [[diffraction de l'électron|diffraction]] (1927).
* [[Clyde Cowan]] et [[Frederick Reines]] confirment l'existence du [[neutrino]] lors d'une [[expérience du neutrino|expérience]] (1955).
* Expérience de double diffraction des électrons de Claus Jönsson (1961).
* Découverte en 1980 de l'[[effet Hall quantique]] par [[Klaus von Klitzing]]. La version quantifiée de l'[[effet Hall]] a permis la définition d'un nouveau standard pratique pour la [[résistance électrique]] et pour une détermination extrêmement précise et indépendante de la [[constante de structure fine]].
* [[Expérience d'Aspect|Vérification experimentale]] de l'[[intrication quantique]] par [[alain Aspect]] en 1982.
== Références==
<references />
== Voir aussi==
* [[Chimie quantique]]
* [[Histoire de la chimie]]
* [[Histoire de la physique]]
* [[Mécanique quantique]]
* [[Quantum]]
== Liens externes ==
*{{en}} [http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/HistTopics/The_Quantum_age_begins.html A History of Quantum Mechanics]
*{{en}} [http://www.oberlin.edu/physics/dstyer/StrangeQM/history.html A Brief History of Quantum Mechanics]
*{{en}} [http://quantum-history.mpiwg-berlin.mpg.de/ Homepage of the Quantum History Project]
{{Traduction/Référence|en|History of quantum mechanics|170811773}}
{{Portail|chimie|physique}}
[[Catégorie:chimie quantique]]
[[Catégorie:mécanique quantique]]
[[Catégorie:histoire de la chimie]]
[[Catégorie:histoire de la physique]]
[[bn:কোয়ান্টাম বলবিজ্ঞানের ইতিহাস]]
[[en:History of quantum mechanics]]
[[es:Historia de la mecánica cuántica]]
[[fi:Kvanttimekaniikan historia]]
[[ru:История квантовой механики]]