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1 • Sources de la mécanique quantique
a) Onde associée
Certes, de nombreuses expériences montrent qu’une particule, tel un électron par
exemple, est constituée d’une masse localisée dans un volume extrêmement restreint,
ce qui autorise à la traiter, avec une bonne approximation, comme une masse ponctuelle. Cependant, d’autres études montrent qu’à chaque particule est associé, de
manière intrinsèque, un phénomène ondulatoire. C’est la fameuse expérience de diffraction des électrons par un cristal qui, réalisée pour la première fois par Davisson
et Germer en 1927, démontra l’existence d’une onde associée à l’électron.
Cette onde, associée à toute particule, a été imaginée par Louis de Broglie
¾ bien
avant les expériences qui, par la suite, ont confirmé son existence. En effet, généralisant les ondes associées aux photons, L. de Broglie écrit dans sa thèse, soutenue
en 1924 :
On peut donc concevoir que par suite d’une grande loi de la Nature, à chaque morceau d’énergie de masse propre m 0 soit lié un phénomène périodique de fréquence n 0
telle qu’on ait : hn 0 = m 0 c
2 .
Il déduisit alors de cette hypothèse des conséquences expérimentales et, en particulier, la diffraction des électrons, ainsi qu’il le confirma à l’un des auteurs
¿ :
[...] les expérimentateurs peu au courant de mes idées hésitent à se lancer dans des
expériences difficiles dont le résultat leur paraît incertain. J’ai vu dans ma jeunesse
un exemple analogue lorsque un excellent expérimentateur avec lequel je travaillais
dans le domaine des rayons X et auquel j’avais demandé de faire des expériences pour
mettre en évidence la diffraction des électrons dont je prévoyais l’existence n’a pas
cru devoir s’en occuper et a ainsi raté le prix Nobel.
Celui-ci fut attribué, en 1937, à Davisson et Germer pour leurs résultats expérimentaux de diffraction des électrons.
On aimerait se poser de nombreuses questions sur ce phénomène ondulatoire associé aux particules quantiques. Quelle est la structure de l’onde représentant ce
phénomène ? Comment cette onde est-elle associée à la particule ? Quelle est son
extension spatiale ? Dès le début de la mécanique quantique, ces questions furent
débattues mais seule une minorité de physiciens travaillèrent réellement sur ces problèmes et peu de réponses probantes ont été apportées.
b) Paquet d’ondes
Faute d’une description physique de l’onde associée à une particule, il semble vraisemblable que cette onde soit localisée au voisinage du corpuscule. Toute onde occupant un domaine fini de l’espace peut, en principe, être représentée par un train
d’ondes encore appelé paquet d’ondes.
2. L. DE BROGLIE. Recherches sur la théorie des quanta. Thèse soutenue à Paris, en Sorbonne, le 25
novembre 1924.
3. L. DE BROGLIE. Correspondance avec J. HLADIK du 28 avril 1972.
1 • Sources de la mécanique quantique
a) Onde associée
Certes, de nombreuses expériences montrent qu’une particule, tel un électron par
exemple, est constituée d’une masse localisée dans un volume extrêmement restreint,
ce qui autorise à la traiter, avec une bonne approximation, comme une masse ponctuelle. Cependant, d’autres études montrent qu’à chaque particule est associé, de
manière intrinsèque, un phénomène ondulatoire. C’est la fameuse expérience de diffraction des électrons par un cristal qui, réalisée pour la première fois par Davisson
et Germer en 1927, démontra l’existence d’une onde associée à l’électron.
Cette onde, associée à toute particule, a été imaginée par Louis de Broglie
¾ bien
avant les expériences qui, par la suite, ont confirmé son existence. En effet, généralisant les ondes associées aux photons, L. de Broglie écrit dans sa thèse, soutenue
en 1924 :
On peut donc concevoir que par suite d’une grande loi de la Nature, à chaque morceau d’énergie de masse propre m 0 soit lié un phénomène périodique de fréquence n 0
telle qu’on ait : hn 0 = m 0 c
2 .
Il déduisit alors de cette hypothèse des conséquences expérimentales et, en particulier, la diffraction des électrons, ainsi qu’il le confirma à l’un des auteurs
¿ :
[...] les expérimentateurs peu au courant de mes idées hésitent à se lancer dans des
expériences difficiles dont le résultat leur paraît incertain. J’ai vu dans ma jeunesse
un exemple analogue lorsque un excellent expérimentateur avec lequel je travaillais
dans le domaine des rayons X et auquel j’avais demandé de faire des expériences pour
mettre en évidence la diffraction des électrons dont je prévoyais l’existence n’a pas
cru devoir s’en occuper et a ainsi raté le prix Nobel.
Celui-ci fut attribué, en 1937, à Davisson et Germer pour leurs résultats expérimentaux de diffraction des électrons.
On aimerait se poser de nombreuses questions sur ce phénomène ondulatoire associé aux particules quantiques. Quelle est la structure de l’onde représentant ce
phénomène ? Comment cette onde est-elle associée à la particule ? Quelle est son
extension spatiale ? Dès le début de la mécanique quantique, ces questions furent
débattues mais seule une minorité de physiciens travaillèrent réellement sur ces problèmes et peu de réponses probantes ont été apportées.
b) Paquet d’ondes
Faute d’une description physique de l’onde associée à une particule, il semble vraisemblable que cette onde soit localisée au voisinage du corpuscule. Toute onde occupant un domaine fini de l’espace peut, en principe, être représentée par un train
d’ondes encore appelé paquet d’ondes.
2. L. DE BROGLIE. Recherches sur la théorie des quanta. Thèse soutenue à Paris, en Sorbonne, le 25
novembre 1924.
3. L. DE BROGLIE. Correspondance avec J. HLADIK du 28 avril 1972.