Cours de FI3 Vincent Métivier Version août 2004 Table des Matières 3
1 - INTRODUCTION A LA PHYSIQUE MODERNE................................................ 7 1. Apogée et Crise de la physique classique .....................................................9 2. Introduction aux phénomènes quantiques .................................................11 2.1 Rayonnement du corps noir et naissance des « quanta » (Planck) ............................11 2.2 Les Photons ou quanta de lumière (Einstein)..........................................................12 2.3 Dualité onde - corpuscule ......................................................................................12 2.4 Fonction d’onde et probabilité de présence .............................................................14 2.5 Relations d’incertitude (Heisenberg) .......................................................................14 3. La théorie de la relativité (Einstein)17 3.1 Transformations galiléennes...................................................................................17 3.2 Vitesse de la lumière..............................................................................................17 3.3 Principes de la relativité restreinte (postulats d’Einstein) ........................................18 3.4 Espace-temps et Transformations de Lorentz .........................................................19 3.4.1 Quadrivecteur espace-temps .... ...
Cours de FI3 Vincent Métivier Version août 2004 Table des Matières 3
1 - INTRODUCTION A LA PHYSIQUE MODERNE................................................ 7
1. Apogée et Crise de la physique classique .....................................................9
2. Introduction aux phénomènes quantiques .................................................11
2.1 Rayonnement du corps noir et naissance des « quanta » (Planck) ............................11
2.2 Les Photons ou quanta de lumière (Einstein)..........................................................12
2.3 Dualité onde - corpuscule ......................................................................................12
2.4 Fonction d’onde et probabilité de présence .............................................................14
2.5 Relations d’incertitude (Heisenberg) .......................................................................14
3. La théorie de la relativité (Einstein)17
3.1 Transformations galiléennes...................................................................................17
3.2 Vitesse de la lumière..............................................................................................17
3.3 Principes de la relativité restreinte (postulats d’Einstein) ........................................18
3.4 Espace-temps et Transformations de Lorentz .........................................................19
3.4.1 Quadrivecteur espace-temps .................................................................................... 19
3.4.2 Transformations de Lorentz 19
3.4.3 Contraction des longueurs et Dilatation du temps .................................................... 20
3.5 Énergie relativiste ..................................................................................................21
3.5.1 Impulsion relativiste................................................................................................. 21
3.5.2 Énergie totale ........................................................................................................... 22
3.6 Masse et Énergie....................................................................................................23
3.6.1 Quadrivecteur impulsion-énergie.............................................................................. 24
3.7 Pour aller plus loin... .............................................................................................24
4. Du microscopique au macroscopique.........................................................27
4.1 Ordres de grandeur................................................................................................27
4.2 Mécanique statistique et mécanique quantique ......................................................28
4.3 Distribution de Maxwell-Boltzmann .......................................................................28
4.4 Statistiques quantiques .........................................................................................29
4.4.1 Statistique de Bose-Einstein (1924-1925) ................................................................. 30
4.4.2 Statistique de Fermi - Dirac (1926)........................................................................... 30
4.5 Comparaison des différentes statistiques................................................................31
4.6 Quelques conséquences… ......................................................................................31
4.6.1 Condensation de Bose-Einstein ................................................................................ 31
4.6.2 Gaz de Fermi et électrons de conduction................................................................... 33
4.6.3 Supraconductivité .................................................................................................... 34
5. L’Ère de la Cohabitation ? .........................................................................35
2 - DE L’ATOME AUX PARTICULES ELEMENTAIRES....................................... 37
1. L’Atome 39
1.1 Bref rappel historique ............................................................................................39
1.2 Les Ébauches du modèle atomique : découverte du noyau......................................39
1.3 L’Atome de Bohr41
1.4 L’Atome quantique.................................................................................................42
1.4.1 Aspect ondulatoire et quantification du moment cinétique........................................ 42
1.4.2 Équation de Schrödinger (atome d’hydrogène) et nombres quantiques...................... 43
1.4.3 Le Spin de l’électron 45
1.5 Comblement électronique.......................................................................................45
1.6 Transition de niveaux et rayonnement X ................................................................50
1.6.1 Origine et règles de sélection .................................................................................... 50
1.6.2 Effet Auger ............................................................................................................... 51
1.6.3 Compétition électrons Auger - émission X................................................................. 51
4 Physique Subatomique et Radioactivité
2. Le Noyau atomique....................................................................................52
2.1 Constitution et définitions......................................................................................52
2.2 Masse et énergie de liaison.....................................................................................54
2.2.1 Énergie de liaison du noyau 54
2.2.2 Masse et excès de masse .......................................................................................... 55
2.3 Modèles nucléaires.................................................................................................56
2.3.1 Le Modèle de la goutte liquide................................................................................... 56
2.3.2 Le Modèle en couches............................................................................................... 58
2.4 Systématique des noyaux.......................................................................................60
2.5 Rayon nucléaire et densité de charge......................................................................60
2.6 Moments nucléaires et applications........................................................................62
2.6.1 Définitions................................................................................................................ 62
2.6.2 Application : Résonance Magnétique Nucléaire (RMN)............................................... 62
2.7 Réactions nucléaires ..............................................................................................63
2.7.1 Définition ................................................................................................................. 63
2.7.2 Lois de conservation................................................................................................. 64
2.7.3 Bilan énergétique ..................................................................................................... 64
2.7.4 Exemples et applications .......................................................................................... 64
3. Particules élémentaires et Interactions fondamentales..............................67
3.1 Les Grandes étapes................................................................................................67
3.1.1 Antiparticules........................................................................................................... 67
3.1.2 Le Méson de Yukawa et l’interaction forte................................................................. 68
3.1.3 Le Neutrino .............................................................................................................. 69
3.1.4 Le Modèle des quarks (1964) .................................................................................... 71
3.1.5 Les Bosons intermédiaires........................................................................................ 72
3.2 Le Modèle Standard ...............................................................................................73
3.2.1 Quarks et leptons 73
3.2.2 Les Vecteurs d’interaction 75
3.3 Les Interactions fondamentales..............................................................................75
4. Big-Bang et formation de la matière ..........................................................77
4.1 Observation d’un univers en expansion..................................................................77
4.2 Les Premiers instants... ?.......................................................................................79
4.3Premières secondes...80
4.3.1 Confinement des quarks........................................................................................... 80
4.3.2 Nucléosynthèse primordiale...................................................................................... 81
4.4 Passage de l’opacité à la transparence....................................................................81
4.5 Nucléosynthèse stellaire.........................................................................................82
5. Symétries et invariances ...........................................................................85
5.1 Ordre et symétries .................................................................................................85
5.2 Symétries et lois de conservation............................................................................86
5.3 Théorème CPT .......................................................................................................86
5.3.1 Violation de la parité P .......................................................