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Niels Bohr et l’ancienne théorie des quanta

Niels Bohr et l’ancienne théorie des quanta. Ancienne théorie des quanta Chronologie. 1900 : Introduction du quantum d’action h par Max Planck 1905 : Interprétation de h par Einstein 1913 : Quantification des niveaux d’énergie par Bohr ; Effet Stark ; Frank et Hertz

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Niels Bohr et l’ancienne théorie des quanta

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Presentation Transcript

  1. Niels Bohr et l’ancienne théorie des quanta

  2. Ancienne théorie des quantaChronologie • 1900 : Introduction du quantum d’action h par Max Planck • 1905 : Interprétation de h par Einstein • 1913 : Quantification des niveaux d’énergie par Bohr ; Effet Stark ; Frank et Hertz • 1915 : Atome de Sommerfeld • 1916 : Effet stimulée ; quantité de mouvement du photon ; corps noir ré-interprété • 1921 : Expérience de Stern & Gerlach

  3. 1900

  4. 1905

  5. Ancienne théorie des quantaPlan • Niels Bohr • Eléments de spectroscopie • Atome de Bohr et confirmation • Expérience de Frank et Hertz • Arnold Sommerfeld • Atome de Sommerfeld • Expérience de Stern & Gerlach • Emission stimulée et effet Compton

  6. Ancienne théorie des quantaPlan • Niels Bohr • Eléments de spectroscopie • Atome de Bohr et confirmation • Expérience de Frank et Hertz • Arnold Sommerfeld • Atome de Sommerfeld • Expérience de Stern & Gerlach • Emission stimulée et effet Compton

  7. Niels Bohr (1885-1962)

  8. Les études • Niels Bohr est né à Copenhague le 7 octobre 1885 (son père était un éminent physiologiste) • Thèse sur la théorie électronique des métaux (1911) • Il est l’élève de J.J. Thomson (Cambridge, 1911) ; E. Rutherford (Manchester, 1912) ; J. Larmor ; J. Jeans Son frère Harald est mathématicien, son fils, Aadge est physicien (prix Nobel de physique 1975)

  9. 1913: Atome de Bohr

  10. Niels Bohr professeur • 1913-1914 : Maître assistant à l’université de Copenhague • 1913-1914 : Maître assistant à l’université de Manchester • 1916-1920 : Professeur à l’université de Copenhague • 1921-1962 : Directeur de l’Institut de physique théorique

  11. 1918 : Principe de correspondance • N. Bohrpublie On the quantum theory of line spectra dans laquelle il développe une idée qu’il a introduite dès 1913 ; le principe de correspondance • Il existe une analogie formelle  une “correspondance”  entre la théorie classique et la théorie quantique • La théorie quantique doit tendre asymptotiquement vers la théorie classique à la limite des grands nombres quantiques

  12. 1921: Institut de Physique Théorique de Copenhague (Niels Bohr Institute) Les plus grands physiciens séjourneront un an et plus à l’Institut de Bohr : Dirac ; Pauli ; Heisenberg ; Landau ; Mott ; Oppenheimer ; Gamov ; Slater ; Nishina ; Weizsäcker ; Klein ; Kramers ; Casimir

  13. Niels Bohr Institute Dirac et Heisenberg

  14. La maison de Niels Bohr

  15. Quelques travaux remarquables • Principe de complémentarité (1927) Il est faux de penser que le but de la physique soit de trouver comment est faite la nature. La physique est seulement concernée par ce que l’on peut dire d’elle • Magnéton de Bohr ; goutte liquide (noyau) ; interprétation de la fission (1939) Avec son frère Harald, 1935

  16. Bohr et Einstein (1927)

  17. Bohr et Planck (1930)

  18. Anecdote Voyant un fer à cheval cloué sur la porte de la maison de campagne de Bohr un invité lui dit un jour : Vous ne croyez tout de même pas à ces choses là ? Non, je n’y crois pas. Mais il paraît que ça marche même si l’on y croit pas Bohr, Heisenberg, Pauli

  19. Ancienne théorie des quantaPlan • Niels Bohr • Eléments de spectroscopie • Atome de Bohr et confirmation • Expérience de Frank et Hertz • Arnold Sommerfeld • Atome de Sommerfeld • Expérience de Stern & Gerlach • Emission stimulée et effet Compton

  20. Éléments de spectroscopie

  21. Éléments de spectroscopie

  22. Éléments de spectroscopie 1802 : Wollaston (1766 – 1828) découvre des lignes sombres dans le spectre du soleil 1814 : Fraunhoffer (1787 – 1826) met en évidence que ces raies sont dues à la source et non à l’optique (mise en évidence par spectro de flamme) 1859 : Analyse spectrale introduite par Bunsen (1811 – 1899) et Kirchhoff (1825 – 1887) (1ères recherches spectroscopiques publiées en 1861)

  23. Joseph von FRAUNHOFER (1787 – 1826) représenté ci-dessus debout derrière le spectroscope qu'il inventa en 1814 réussit à observer 576 raies d'absorption dans le spectre du Soleil

  24. Bunsen et Kirchhoff

  25. Éléments de spectroscopie 1860 : Bunsen et Kirchhoff découvre le césium (Cs, de Caesium = bleu du ciel) par spectroscopie 1861 : Bunsen et Kirchhoff découvre le rubidium (Rb, de Rubidus = rouge foncé / rubis) par spectroscopie 1861 : Crookes découvre le tallium (Tl, de Tallium = vert intense) par spectroscopie 1863 : Peich découvre l’indium (In, Indigo) par spectroscopie

  26. Analyse spectrale

  27. Éléments de spectroscopie 1868 : Janssen et Frankland découvre l’hélium (He, de Helios = soleil) par étude du spectre solaire L'analyse spectrale connaît un succès retentissant le 18 août 1868 lors de l'éclipse du Soleil qui dure 6,5 min et permet à Janssen de découvrir une nouvelle raie dans le spectre des protubérances, raie que Norman Lockyer attribue à un corps simple inconnu sur Terre qu'il baptise « hélium » et qui ne sera décelé qu'en 1895 dans l'atmosphère terrestre

  28. Balmer 1885(Raies de l’hydrogène dans le visible)

  29. Ancienne théorie des quantaPlan • Niels Bohr • Eléments de spectroscopie • Atome de Bohr et confirmation • Expérience de Frank et Hertz • Arnold Sommerfeld • Atome de Sommerfeld • Expérience de Stern & Gerlach • Emission stimulée et effet Compton

  30. 1913 : L’atome de Bohr Lorsque je vis la formule de Balmer, tout devint clair pour moi mv . 2r = n.h

  31. Série de Balmer

  32. Formule de Rydberg Pour l’hydrogène : n = 1 ; Lyman, 1906 (UV) n = 2 ; Balmer, 1885 (Vis.) n = 3 ; Pashen, 1908 (IR) n = 4 ; Brackett, 1922 (IR) n = 5 ; Pfund, 1924 (IR)

  33. Séries de Lyman, Balmer, Pashen

  34. Séries de Lyman, Balmer, Pashen

  35. Exemple Calculons la longueur d'onde associée à la transition Lyman  (1er niveau excité vers le niveau fondamental) de l'hydrogène. On utilise la loi de Balmer : 1/ = R (1/1 – 1/p2) Avec pour valeur de la constante de Rydberg 109737,3 cm-1

  36. Exemple R # 105 cm-1 = 105 (10-2 m)-1 = 107 m-1  = 1/ [R (1/1 – 1/4)] = 4/3 1/R = 4/3 1/(1,097373 107) = 1215 Å (UV lointain)  = 1215 Å

  37. Ciel en Lyman 

  38. Jean Perrin, dès 1901, entrevoit l’atome comme un système solaire en miniature avec des électrons négatifs tournant autour d’un noyau chargé positivement

  39. Nombre d’AvogadroMesures de Jean Perrin • Viscosité des gaz (éq. De Van der Waals) : 6,2 1023 • Mouvement brownien (répartition des grains) : 6,83 1023 • Mouvement brownien (déplacements) : 6,83 1023 • Mouvement brownien (rotation) : 6,5 1023 • Mouvement brownien (diffusion) : 6,9 1023 • Mouvement brownien (opalescence critique) : 7,5 1023 • Spectre du corps noir : 6,4 1023 • Répartition irrégulière des molécules (bleu du ciel) : 6,0 1023 • Charges de sphérules dans un gaz : 6,8 1023 • Radioactivité (charges projetées) : 6,25 1023 • Radioactivité (radium disparu) : 7,1 1023 • Radioactivité (hélium engendré) : 6,4 1023 • Radioactivité (énergie rayonnée) : 6,0 1023 • Valeur actuelle : 6.0221415 1023

  40. L’atome de J. J. Thomson (1904) Modèle du plum pudding

  41. 1911 : Expérience de Geiger et Marsden

  42. Expérience de Geiger et Marsden

  43. L’atome de Rutherford (1911)

  44. L’atome de Rutherford (1911)

  45. Difficulté du modèle

  46. Difficulté du modèle

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