Qu’est-ce que le quantum ?

Contexte

La définition du quantum selon Dictionary.com est « la plus petite quantité d’énergie radiante, égale à la constante de Planck multipliée par la fréquence du rayonnement associé ». Cette définition fait essentiellement référence à l’équation de la relation de Planck (E=hf) qui a été définie par Max Planck. Il a ensuite remporté le prix Nobel en 1918 pour ses travaux sur les quanta d’énergie.

Ce que Planck a découvert, c’est que les photons (y compris la lumière) sont des « paquets » d’énergie, comme il l’a appelé, et non une onde continue. De nombreux physiciens désignaient ce paquet d’énergie par le terme de quanta (pluriel de quantum) au début des années 1900 et, aujourd’hui, on y fait couramment référence de cette façon.

Lorsque les photons se déplacent en ondes, ce sont des paquets d’énergie discrets – des quanta. Lorsqu’un électron est en orbite autour d’un atome, il se trouve à des niveaux d’énergie quantiques. L’électron ne peut se trouver que sur des orbites (niveaux d’énergie) spécifiques. Lorsque l’électron passe d’une orbite à l’autre, on parle de saut quantique. La relation entre l’électron dans un atome se trouvant à des niveaux d’énergie quantique et le photon étant des paquets d’énergie quantique n’est pas surprenante. La transition de l’électron vers des orbitales inférieures est ce qui crée un photon.

Explication

Le quantique est difficile à comprendre car l’explication actuelle du monde subatomique est très différente du monde plus grand que l’atome. On croit actuellement que le monde quantique a un ensemble différent de règles dans l’univers. Cependant, en modifiant légèrement notre façon de penser, le pont entre le monde quantique et le monde que nous voyons devient apparent. Les deux vivent selon les mêmes règles de la physique.

Pour changer notre façon de penser, nous devons considérer que le proton a à la fois une charge attractive et une charge répulsive. Les composants du proton et comment cela peut se produire sont présentés dans une page expliquant le proton. C’est encore difficile à comprendre, alors une analogie sera utilisée pour expliquer le quantum.

Imaginez un sèche-cheveux et une balle de ping-pong. Le sèche-cheveux est à basse vitesse et pointé vers le haut et une balle de ping-pong est placée dans le courant d’air qui souffle vers le haut. La balle de ping-pong vibre, puis se met en position dans l’air. La balle de ping-pong est attirée vers le sol par la force de gravité, mais l’air forcé du sèche-cheveux la maintient en suspension dans l’air. Cette expérience peut être tentée à la maison. En voici un exemple…

Dans l’analogie, la balle de ping-pong est un électron en orbite autour d’un seul proton. Le proton a une force d’attraction (la gravité de la Terre dans ce cas) et une force de répulsion (l’air forcé). La mauvaise compréhension du proton et de cette propriété d’être attractif et répulsif est ce qui conduit à la confusion du quantum.

Avant d’expliquer le quantum à l’aide de la théorie des ondes énergétiques, quelques scénarios supplémentaires sont fournis pour l’expérience de la balle de ping-pong afin de comprendre les orbitales :

• Imaginez la même expérience menée sur une planète plus lourde avec une gravité plus forte. La balle de ping-pong sera plus proche du séchoir à cheveux lorsqu’elle s’installera en position. C’est l’équivalent d’un plus grand nombre de protons dans un atome.
• Imaginez la même expérience avec le sèche-cheveux sur un réglage élevé (au lieu d’un réglage bas). L’air plus fort force la balle de ping-pong à monter plus haut, mais il n’y a que certains réglages sur le sèche-cheveux. C’est l’équivalent de plus de protons alignés dans l’atome qui provoquent des sauts orbitaux.
• Imaginez la même expérience avec des sèche-cheveux supplémentaires pointés sur la balle de ping-pong sous d’autres angles et distances. Cela fera en sorte que la balle de ping-pong aura un nouvel emplacement où elle pourra se reposer. C’est l’équivalent d’électrons supplémentaires dans l’atome qui ont des forces répulsives, changeant les distances orbitales.

Orbitale atomique – niveaux d’énergie quantique

Les scénarios de balle de ping-pong sont la meilleure façon d’expliquer les forces d’un électron dans un atome. Il existe suffisamment de preuves de ce modèle à partir de la théorie des ondes énergétiques : 1) la structure du proton correspond aux expériences de désintégration bêta, 2) les distances orbitales ont été calculées avec précision et 3) les énergies d’ionisation des électrons ont été calculées pour les vingt premiers éléments. Un exemple de l’atome et de la force attractive (F1) et de la force répulsive (F2) est illustré ci-dessous. Le point où les forces sont égales devient une orbitale. Chaque orbitale a un niveau d’énergie associé correspondant à la force attractive, électrique pour l’électron à cette distance.

Orbitale atomique

L’explication du proton ne résout qu’une partie du mystère quantique. Elle explique comment un électron reste en orbite autour d’un proton alors qu’il ne fait pas de même pour un positron. Elle explique comment un atome stable peut avoir différentes orbitales en fonction de la configuration de son noyau. Mais il n’a pas (encore) expliqué le photon.

Émission de photons – Création d’énergie quantique

L’énergie est toujours conservée mais elle change de forme. Lorsqu’un électron est capturé dans une orbitale plus proche du noyau atomique, il vibre et crée une onde transversale. Il transfère l’énergie de l’onde longitudinale en énergie de l’onde transversale. Le photon est une onde transversale. Lorsqu’il est créé à partir d’un électron dans un atome, il s’agit d’une vibration de courte durée, qui devient donc un paquet discret (quantum) d’énergie d’onde transversale. C’est le photon et ses propriétés peuvent être modélisées dans la théorie des ondes énergétiques avec une équation d’énergie transversale, dans laquelle l’énergie gagnée est exactement égale à l’énergie perdue dans le calcul utilisant l’équation d’énergie longitudinale.

Un électron peut être capturé de l’extérieur de l’atome, ou il peut changer entre les orbitales, comme l’illustration ci-dessous. Mais comme expliqué dans la structure du proton dans l’exemple de la balle de ping-pong, il existe des distances spécifiques où les forces seront nulles qui agissent sur l’électron, en fonction du nombre de protons et du placement des autres électrons dans l’atome. Voici l’un des exemples de création du photon à partir de la vibration de l’électron.

Absorption du photon – Absorber l’énergie quantique

L’énergie quantique du photon peut également être absorbée, convertissant l’énergie des ondes transversales en énergie des ondes longitudinales. Les détails de la façon dont les photons à des fréquences spécifiques sont absorbés par les électrons sont fournis dans la page sur les interactions entre photons. En bref, les ondes transversales provoquent une rotation plus rapide de l’électron, ce qui augmente l’amplitude des ondes longitudinales entre le noyau et l’électron. Cela force l’électron à s’éloigner du noyau, mais il finit par revenir à l’état fondamental car le gain d’amplitude est temporaire.

Le quantique ne devrait pas être un phénomène mystérieux qui ne s’applique qu’aux particules subatomiques. Les niveaux d’énergie sont le résultat de forces multiples dans l’atome qui agissent sur un électron, et le mouvement de l’électron convertit l’énergie entre deux formes d’ondes différentes : longitudinale et transversale.