Énergie quantique

Théorie de l'énergie quantique

Le début de la théorie quantique a été la découverte des quanta d'énergie électromagnétique émis par un corps noir. Cette découverte a été publiée par Max Planck en 1901, dans laquelle il affirme que les objets chauffés émettent des radiations (comme la lumière) en petites quantités discrètes d'énergie appelées quanta. Planck a également proposé que cette énergie lumineuse émise soit quantifiée.

Puis, en 1905, Albert Einstein a publié un article expliquant l'effet photoélectrique . Einstein a expliqué la physique de l'émission d'électrons à partir d'une surface métallique lorsqu'un faisceau de lumière est projeté sur cette surface. De plus, il a remarqué que plus la lumière est brillante, plus le nombre d'électrons éjectés du métal est important. Cependant, ces électrons n'étaient éjectés que si l'énergie lumineuse était supérieure à une certaine fréquence seuil (figure 1). Ces électrons émis par la surface d'un métal sont appelés photoélectrons.

En utilisant la théorie de Planck, Einstein a proposé la double nature de la lumière, à savoir que la lumière avait des caractéristiques ondulatoires, mais qu'elle était constituée de flux de minuscules paquets d'énergie ou de particules de rayonnement électromagnétique appelés photons.

Les photons possèdent les caractéristiques suivantes :

• Ils sont neutres, stables et n'ont pas de masse.

• Les photons sont capables d'interagir avec les électrons.

• L'énergie et la vitesse des photons dépendent de leur fréquence.

• Les photons peuvent voyager à la vitesse de la lumière, mais uniquement dans le vide, comme l'espace.

• Toute la lumière et l'énergie électromagnétique sont constituées de photons.

Définition de l'énergie quantique

Avant de plonger dans l'énergie quantique, passons en revue le rayonnement électromagnétique . Le rayonnement électromagnétique (l'énergie) est transmis sous forme d'onde (figure 2), et ces ondes sont décrites en fonction de leur fréquence et de leur longueur d'onde.

• Lalongueur d' onde est la distance entre les deux pics ou creux adjacents d'une onde.

• Lafréquence est le nombre de longueurs d'onde complètes qui passent à un point précis par seconde.

Il existe différents types de rayonnements électromagnétiques autour de nous, comme les rayons X et les rayons UV ! Les différentes formes de rayonnement électromagnétique sont représentées dans un spectre électromagnétique (figure 3). Les rayons gamma possèdent la fréquence la plus élevée et la longueur d'onde la plus petite, ce qui indique que la fréquence et la longueur d'onde sont inversement proportionnelles. En outre, remarque que la lumière visible ne représente qu'une infime partie du spectre électromagnétique.

Prenons un exemple.

Voyons maintenant la définition de l'énergie quantique.

Formule de l'énergie quantique

La formule ci-dessous peut être utilisée pour calculer l'énergie d'un photon :

$$ E =h\text{v} $$

Où :

• E est égal à l'énergie d'un photon (J).
• \N( h \N) est égal à la constante de Planck ( \N( 626,6\N fois10 ^{-34}\N{ Joules/s} \N) ).
• v est la fréquence de la lumière absorbée ou émise (1/s ou ^s-1).

Une autre façon de résoudre l'énergie quantique consiste à utiliser une équation qui inclut la vitesse de la lumière. Cette équation est la suivante :

$$ E = \frac{hc}{\lambda} $$

Où ,

• E = énergie quantique (J)
• \N- h = constante de Planck ( \N- 626,6 fois10 ^{-34}\text{ Joules/s} \N) )
• \N- c = vitesse de la lumière ( \N- 2.998 \N- 10^{8} m/s \N) )
• \N( \Nlambda \N) = longueur d'onde

Chimie de l'énergie quantique

Maintenant que nous connaissons cette définition de l'énergie quantique et que nous savons comment la calculer, parlons de l'énergie des électrons dans un atome.

En 1913, le modèle d'atome du physicien danois Niels Bohr a été élaboré à partir de la théorie quantique de Planck et des travaux d'Einstein. Bohr a créé un modèle quantique de l'atome dans lequel les électrons gravitent autour du noyau, mais dans des orbites distinctes et fixes avec une énergie fixe. Il a appelé ces orbitesdes "niveaux d'énergie" (figure 4) ou des coquilles, et chaque orbite a reçu un nombre appelé nombre quantique.

Le modèle de Bohr visait également à expliquer la capacité de l'électron à se déplacer en suggérant que les électrons se déplaçaient entre différents niveaux d'énergie par l'émission ou l'absorption d'énergie.

Le modèle de Bohr posait toutefois un problème : il suggérait que les niveaux d'énergie se trouvaient à des distances spécifiques et fixes du noyau, par analogie avec une orbite planétaire miniature, ce qui, nous le savons aujourd'hui, est incorrect.

Alors, comment se comportent les électrons ? Agissent-ils comme des ondes ou sont-ils plutôt des particules quantiques ? C'est là qu'interviennent trois scientifiques : Louis de Broglie, Werner Heisenberg et Erwin Schrödinger.

Selon Louis de Broglie, les électrons ont à la fois des propriétés ondulatoires et des propriétés particulaires. Il a pu prouver que les ondes quantiques pouvaient se comporter comme des particules quantiques, et que les particules quantiques pouvaient se comporter comme des ondes quantiques.

Werner Heisenberg a en outre proposé que, lorsqu'il se comporte comme une onde, il est impossible de connaître l'emplacement exact d'un électron dans son orbite autour du noyau. Sa proposition suggère que le modèle de Bohr est erroné car les orbites/niveaux d'énergie ne sont pas fixes à une certaine distance du noyau et n'ont pas de rayons fixes.

Plus tard, Schrödinger a émis l'hypothèse que les électrons pouvaient être traités comme des ondes de matière et a proposé un modèle appelé modèle mécanique quantique de l'atome . Ce modèle mathématique, appelé équation de Schrödinger, rejette l'idée que les électrons existent sur des orbites fixes autour du noyau, et décrit plutôt la probabilité de trouver un électron à différents endroits autour du noyau de l'atome.

Aujourd'hui, nous savons que les atomes ont une énergie quantifiée, c'est-à-dire que seules certaines énergies discrètes sont autorisées, et ces énergies quantifiées peuvent être représentées par des diagrammes de niveaux d'énergie (figure 5). Fondamentalement, si un atome absorbe de l'énergie électromagnétique, ses électrons peuvent passer à un état d'énergie plus élevé ("excité"). En revanche, si un atome émet/cède de l'énergie, les électrons descendent dans un état d'énergie inférieur. Ces sauts sont appelés sauts quantiques ou transitions énergétiques.

L'énergie du vide quantique

En physique moderne, il existe un terme appelé énergie du vide, qui correspond à l'énergie mesurable d'un espace vide. Il s'avère donc qu'un espace vide n'est pas vide du tout ! L'énergie du vide est parfois appelée énergie du point zéro, ce qui signifie qu'il s'agit du niveau d'énergie quantifié le plus bas d'un système mécanique quantique.