Constante de Planck
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Entre 1670 et 1900 scientifiques ont discuté de la nature de la lumière. Certains scientifiques pensaient que la lumière était composée de plusieurs millions de minuscules particules. D’autres scientifiques croyaient que la lumière était une vague.
Lumière : ondes ou particules ?Edit
En 1678, Christiaan Huygens écrit le Traité de la lumière. Il croyait que la lumière était composée d’ondes. Il a dit que la lumière ne pouvait pas être composée de particules car la lumière de deux faisceaux ne rebondissait pas chacun other.In 1672, Isaac Newton a écrit le livre Opticks. Il croyait que la lumière était composée de particules rouges, jaunes et bleues qu’il appelait des corpusles. Newton a expliqué cela par son « expérience à deux prismes ». Le premier prisme a brisé la lumière en différentes couleurs. Le deuxième prisme a fusionné ces couleurs en lumière blanche.
Au cours du 18ème siècle, la théorie de Newton a reçu le plus d’attention. En 1803, Thomas Young décrit « l’expérience à double fente ». Dans cette expérience, la lumière passant par deux fentes étroites interfère avec elle-même. Cela provoque un motif qui montre que la lumière est composée d’ondes. Pendant le reste du XIXe siècle, la théorie des ondes de la lumière a reçu le plus d’attention. Dans les années 1860, James Clerk Maxwell a développé des équations décrivant le rayonnement électromagnétique comme des ondes.
La théorie du rayonnement électromagnétique traite la lumière, les ondes radio, les micro-ondes et de nombreux autres types d’ondes comme la même chose, sauf qu’elles ont des longueurs d’onde différentes. La longueur d’onde de la lumière que nous pouvons voir avec nos yeux est approximativement comprise entre 400 et 600 nm. La longueur d’onde des ondes radio varie de 10 m à 1500 m et la longueur d’onde des micro-ondes est d’environ 2 cm. Dans le vide, toutes les ondes électromagnétiques se déplacent à la vitesse de la lumière. La fréquence de l’onde électromagnétique est donnée par:
ν=c λ {\displaystyle\nu={\frac{c}{\lambda}}}
.
Les symboles sont définis ici.
Radiateurs à corps noirmodifier
Toutes les choses chaudes dégagent un rayonnement thermique, qui est un rayonnement électromagnétique. Pour la plupart des choses sur Terre, ce rayonnement est dans la gamme infra-rouge, mais quelque chose de très chaud (1000 ° C ou plus) émet un rayonnement visible, c’est-à-dire de la lumière. À la fin des années 1800, de nombreux scientifiques ont étudié les longueurs d’onde du rayonnement électromagnétique des radiateurs à corps noir à différentes températures.
Rayleigh-Jeans LawEdit
Lord Rayleigh a publié pour la première fois les bases de la loi Rayleigh-Jeans en 1900. La théorie était basée sur la théorie cinétique des gaz. Sir James Jeans a publié une théorie plus complète en 1905. La loi concerne la quantité et la longueur d’onde de l’énergie électromagnétique émise par un radiateur à corps noir à différentes températures. L’équation décrivant ceci est:
B λ(T) = 2 c k T λ 4 {\displaystyle B_{\lambda}(T) = {\frac{2ckT}{\lambda^{4}}}}
.
Pour le rayonnement à longue longueur d’onde, les résultats prédits par cette équation correspondaient bien aux résultats pratiques obtenus en laboratoire. Cependant, pour les courtes longueurs d’onde (lumière ultraviolette), la différence entre la théorie et la pratique était si grande qu’elle lui a valu le surnom de « catastrophe ultraviolette ».
LawEdit de Planck
en 1895, Wien publia les résultats de ses études sur le rayonnement d’un corps noir. Sa formule était :
B λ(T) = 2 h c 2 λ 5 e−h c λ k T {\displaystyle B_{\lambda}(T) = {\frac{2hc^{2}} {\lambda ^{5}}} e^{-{\frac{hc}{\lambda kT}}}}
.
Cette formule fonctionnait bien pour les rayonnements électromagnétiques de courte longueur d’onde, mais ne fonctionnait pas bien avec les longues longueurs d’onde.
En 1900, Max Planck publia les résultats de ses études. Il a essayé de développer une expression pour le rayonnement du corps noir exprimé en termes de longueur d’onde en supposant que le rayonnement était constitué de petits quanta, puis de voir ce qui se passait si les quanta étaient infiniment petits. (C’est une approche mathématique standard). L’expression était :
B λ(T) = 2 h c 2 λ 5 1 e h c λ k T−1 {\displaystyle B_{\lambda}(T) = {\frac{2hc^{2}} {\lambda ^{5}}} ~ {\frac{1} {e^{\frac{hc}{\lambda kT}} -1}}}
.
Si la longueur d’onde de la lumière peut devenir très grande, on peut alors montrer que les relations Raleigh-Jeans et Planck sont presque identiques.
Il a calculé h et k et a constaté que
h = 6,55×10-27 erg *sec. k = 1,34×10-16 erg * deg-1.
Les valeurs sont proches des valeurs acceptées de nos jours de 6,62606×10-34 et 1,38065×10-16 respectivement. La loi de Planck est bien en accord avec les données expérimentales, mais sa pleine signification n’a été appréciée que plusieurs années plus tard.
Théorie quantique de lightEdit
Il s’avère que les électrons sont délogés par l’effet photoélectrique si la lumière atteint une fréquence seuil. En dessous de cela, aucun électron ne peut être émis par le métal. En 1905, Albert Einstein a publié un article expliquant l’effet. Einstein a proposé qu’un faisceau de lumière n’est pas une onde se propageant dans l’espace, mais plutôt une collection de paquets d’ondes discrètes (photons), chacun avec de l’énergie. Einstein a dit que l’effet était dû à un photon frappant un électron. Cela a démontré la nature particulaire de la lumière.
Einstein a également constaté que le rayonnement électromagnétique à grande longueur d’onde n’avait aucun effet. Einstein a dit que c’était parce que les « particules » n’avaient pas assez d’énergie pour perturber les électrons.
Planck a suggéré que l’énergie de chaque photon était liée à la fréquence des photons par la constante de Planck. Ceci peut être écrit mathématiquement comme :
E=h ν = h c λ {\displaystyle E=h\nu={\frac{hc}{\lambda}}}
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