Chapitre 1
Introduction
Le premier objectif de ce chapitre est d’exposer succinctement quelques
notions de base sur l’organisation de la matière, en reprenant et en précisant
les acquis de cours de physique (et de chimie) antérieurs, et en particulier les
notions de physique microscopique ; il s’agira d’un survol, et la grande majorité des énoncés seront donnés sans démonstration et sans discussion détaillée.
Le deuxième objectif est de décrire brièvement quelques étapes cruciales des
débuts de la physique quantique ; nous ne suivrons ni l’ordre historique strict,
ni les arguments qu’utilisèrent au début du siècle dernier les pères fondateurs
de la mécanique quantique, mais nous insisterons plutôt sur les concepts qui
nous serviront par la suite. Le troisième objectif est d’introduire des notions
de base, comme celles de particule quantique ou de niveau d’énergie, qui reviendront de façon récurrente tout au long du livre. Nous nous appuierons
sur la théorie de Bohr, qui permet d’expliquer de façon simple, sinon convaincante, la notion de quantification des niveaux d’énergie et le spectre de l’atome
d’hydrogène. Ce chapitre est à relire ultérieurement, lorsque les bases de la
mécanique quantique auront été explicitées et illustrées par des exemples.
D’un point de vue pratique, il est possible de sauter en première lecture les
considérations générales des sections 1 et 2 et de commencer ce chapitre par la
section 3, quitte à revenir ultérieurement aux deux premières sections lorsqu’il
sera fait appel aux notions qui y ont été introduites.
1.1 Structure de la matière
1.1.1 Échelles de longueur : de la cosmologie aux
particules élémentaires
Le tableau 1.1 donne l’ordre de grandeur en mètres des dimensions
de quelques objets typiques, en partant des dimensions de l’Univers pour
descendre à celles de la physique subatomique. Une unité de longueur
Introduction
Le premier objectif de ce chapitre est d’exposer succinctement quelques
notions de base sur l’organisation de la matière, en reprenant et en précisant
les acquis de cours de physique (et de chimie) antérieurs, et en particulier les
notions de physique microscopique ; il s’agira d’un survol, et la grande majorité des énoncés seront donnés sans démonstration et sans discussion détaillée.
Le deuxième objectif est de décrire brièvement quelques étapes cruciales des
débuts de la physique quantique ; nous ne suivrons ni l’ordre historique strict,
ni les arguments qu’utilisèrent au début du siècle dernier les pères fondateurs
de la mécanique quantique, mais nous insisterons plutôt sur les concepts qui
nous serviront par la suite. Le troisième objectif est d’introduire des notions
de base, comme celles de particule quantique ou de niveau d’énergie, qui reviendront de façon récurrente tout au long du livre. Nous nous appuierons
sur la théorie de Bohr, qui permet d’expliquer de façon simple, sinon convaincante, la notion de quantification des niveaux d’énergie et le spectre de l’atome
d’hydrogène. Ce chapitre est à relire ultérieurement, lorsque les bases de la
mécanique quantique auront été explicitées et illustrées par des exemples.
D’un point de vue pratique, il est possible de sauter en première lecture les
considérations générales des sections 1 et 2 et de commencer ce chapitre par la
section 3, quitte à revenir ultérieurement aux deux premières sections lorsqu’il
sera fait appel aux notions qui y ont été introduites.
1.1 Structure de la matière
1.1.1 Échelles de longueur : de la cosmologie aux
particules élémentaires
Le tableau 1.1 donne l’ordre de grandeur en mètres des dimensions
de quelques objets typiques, en partant des dimensions de l’Univers pour
descendre à celles de la physique subatomique. Une unité de longueur