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Travail en cours : La mine Ojuela à Mapimi, Mexique - l' Halloysite - réécriture de la page Planète bleue - ajout de livres incontournables de ma bibliothèque (+ 600 livres, brochures et revues )
Comment Planck a-t-il découvert la constante ?
Vers 1900, les physiciens étudient la lumière émise par les objets chauffés.
Par exemple :
-
un morceau de métal froid ne brille pas ;
-
lorsqu'on le chauffe, il devient rouge ;
-
puis orange ;
-
puis blanc lorsqu'il est très chaud.
Les scientifiques mesurent précisément cette lumière et constatent qu'elle suit toujours la même répartition d'énergie.
Le problème est que les lois de la physique connues à l'époque donnent de mauvais résultats.
Selon les calculs classiques, un objet très chaud devrait émettre une quantité infinie d'énergie dans certaines fréquences de lumière. C'est évidemment impossible.
Max Planck cherche alors une nouvelle explication.
L'idée révolutionnaire de Planck
À cette époque, on pense que l'énergie peut varier de façon continue.
Par exemple, si un objet possède 10 joules d'énergie, on imagine qu'il peut perdre :
-
1 joule,
-
0,1 joule,
-
0,001 joule,
ou n'importe quelle autre quantité.
Planck fait une hypothèse complètement nouvelle :
L'énergie n'est peut-être pas échangée de manière continue.
Il suppose qu'elle est échangée par petits paquets indivisibles, comme des pièces de monnaie.
De la même façon qu'on ne peut pas payer 3,764€ en pièces de 1 euro, un oscillateur ne pourrait recevoir ou émettre que des paquets entiers d'énergie.
Apparition de la constante
où :
-
E est l'énergie,
-
n est la fréquence,
-
h est un nombre entier,
-
f est une nouvelle constante.
Cette constante indique la taille fondamentale des paquets d'énergie.
Plus la fréquence est grande, plus chaque paquet d'énergie est important.
Comment a-t-il trouvé sa valeur ?
Planck ne mesure pas directement .
Il construit une formule basée sur son hypothèse des paquets d'énergie puis compare ses résultats aux mesures expérimentales.
Il ajuste la valeur de jusqu'à ce que sa formule reproduise exactement les courbes observées en laboratoire.
Quand il trouve la bonne valeur, théorie et expérience coïncident parfaitement.
Pourquoi cette découverte est-elle importante ?
Au départ, Planck pense avoir trouvé une simple astuce mathématique.
Mais quelques années plus tard, Einstein montre que cette idée est beaucoup plus profonde.
La constante révèle que, dans le monde microscopique, l'énergie n'est pas continue : elle est quantifiée, c'est-à-dire distribuée en paquets.
Cette découverte marque le début de la physique quantique.
Planck cherchait à expliquer pourquoi les objets chauffés émettent la lumière observée expérimentalement. Les théories classiques échouaient. Il a alors proposé que l'énergie soit échangée par petits paquets dont la taille dépend de la fréquence. Pour décrire ces paquets, il a introduit une nouvelle constante, , dont il a déterminé la valeur en ajustant sa théorie aux expériences.
Cette constante est devenue l'une des plus importantes de toute la physique.
Pourquoi personne ne l'avait remarqué avant ?
Parce que la constante de Planck est extrêmement petite :
(0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 662 607 015 Joule* seconde)
À notre échelle, les paquets d'énergie sont donc tellement minuscules qu'ils donnent l'impression que l'énergie varie de façon continue.
C'est un peu comme regarder une plage depuis un avion : on voit une surface lisse, alors qu'en s'approchant on découvre qu'elle est composée de milliards de grains de sable.
*Le joule (symbole : J) est l'unité de mesure d'énergie du Système international (SI), utilisée pour quantifier l'énergie, le travail et la quantité de chaleur. Il équivaut au travail d'une force d'un newton dont le point d'application se déplace d'un mètre dans la direction de cette force.
Un newton (symbole : N) est l'unité de mesure de la force, égale à la force qui fait accélérer une masse de 1 kilogramme de 1 mètre par seconde chaque seconde. Sur Terre, un newton correspond au poids d'un petit objet d'environ 102 grammes.
Impact de la constante sur la physique quantique
La constante de Planck est la grandeur qui a permis de comprendre que, dans le monde microscopique, l'énergie n'est pas continue mais quantifiée, c'est-à-dire échangée par paquets appelés quanta.
Avant Planck, on imaginait que l'énergie pouvait prendre n'importe quelle valeur. Après son hypothèse, certaines quantités d'énergie ne peuvent exister que sous des valeurs bien précises. Cette idée est devenue l'un des fondements de la mécanique quantique.
Exemple d'application technologique : les panneaux solaires
Les panneaux photovoltaïques fonctionnent grâce à l'effet photoélectrique, expliqué par Einstein à partir de l'idée de Planck.
Lorsqu'un photon provenant du Soleil frappe le matériau du panneau :
-
il transporte une énergie donnée par ;
-
s'il possède suffisamment d'énergie, il arrache un électron ;
-
ce déplacement d'électrons crée un courant électrique.
Sans la relation entre énergie et fréquence introduite grâce à la constante de Planck, le fonctionnement des cellules photovoltaïques serait incompréhensible.
En résumé
La constante a montré que l'énergie est échangée par paquets et non de façon continue. Cette découverte est à la base de toute la physique quantique moderne et permet aujourd'hui le fonctionnement de nombreuses technologies comme les panneaux solaires, les lasers, les horloges atomiques et les semi-conducteurs.
La constante est devenue l'une des constantes fondamentales de la physique moderne.
Elle intervient dans pratiquement toute la physique quantique.
1. Les photons
Einstein montre que la lumière est constituée de grains d'énergie appelés photons.
L'énergie d'un photon vaut :
Cette relation, nous permet de comprendre le fonctionnement des :
-
panneaux solaires ;
-
lasers ;
-
capteurs de lumière ;
-
fibres optiques.
2. Les atomes
Les électrons dans les atomes ne peuvent occuper que certaines énergies précises.
Là encore, la constante intervient.
C'est ce qui explique :
-
les couleurs émises par les étoiles ;
-
les lampes à vapeur de sodium ;
-
les analyses chimiques par spectroscopie.
3. L'électronique moderne
Les transistors qui composent :
-
les smartphones,
-
les ordinateurs,
-
les consoles de jeux,
fonctionnent grâce à des effets quantiques dans lesquels la constante de Planck joue un rôle fondamental.
Sans elle, il n'y aurait pas de microprocesseurs modernes.
4. Les technologies de pointe
La constante intervient également dans :
-
les horloges atomiques ;
-
le GPS ;
-
l'imagerie médicale ;
-
les ordinateurs quantiques en développement.
En introduisant la constante , Planck a découvert que l'énergie n'est pas échangée de manière continue mais par petits paquets, comme si la nature utilisait une monnaie élémentaire. Cette idée a ouvert la voie à toute la physique quantique et à une grande partie des technologies modernes que nous utilisons chaque jour.
Impact de la constante sur la physique quantique
La constante de Planck est la grandeur qui a permis de comprendre que, dans le monde microscopique, l'énergie n'est pas continue mais quantifiée, c'est-à-dire échangée par paquets appelés quanta.
Avant Planck, on imaginait que l'énergie pouvait prendre n'importe quelle valeur. Après son hypothèse, certaines quantités d'énergie ne peuvent exister que sous des valeurs bien précises. Cette idée est devenue l'un des fondements de la mécanique quantique.
Exemple d'application technologique : les panneaux solaires
Les panneaux photovoltaïques fonctionnent grâce à l'effet photoélectrique, expliqué par Einstein à partir de l'idée de Planck.
Lorsqu'un photon provenant du Soleil frappe le matériau du panneau :
-
il transporte une énergie donnée par ;
-
s'il possède suffisamment d'énergie, il arrache un électron ;
-
ce déplacement d'électrons crée un courant électrique.
Sans la relation entre énergie et fréquence introduite grâce à la constante de Planck, le fonctionnement des cellules photovoltaïques serait incompréhensible.
Pourquoi cette constante est-elle si importante aujourd'hui ?
