Physique quantique

Schrödinger & Planck : probabilités et énergies quantifiées

Comment prévoir la présence d’un électron ? Pourquoi certaines énergies sont-elles autorisées ? Explorez les idées, puis manipulez les modèles.

Page autonome · animations et expériences

1. Prévoir des probabilités

À notre échelle

Pour une balle, les lois de Newton permettent de calculer une trajectoire à partir d’une position et d’une vitesse initiales.

À l’échelle de l’électron

L’état est décrit par une fonction d’onde ψ (« psi »). L’équation de Schrödinger fait évoluer cet état ; on en déduit les probabilités des résultats des mesures.

La fonction d’onde n’est pas une petite vague de matière. C’est une amplitude, généralement complexe. Son module au carré, |ψ|², donne la densité de probabilité de présence.

Dans une dimension : la probabilité entre a et b est l’aire sous la courbe |ψ|² entre ces deux positions. L’aire totale vaut 1.

P(a ≤ x ≤ b) = ∫ab |ψ(x,t)|² dx

2. Lire l’équation sans se perdre

Pour une particule non relativiste de masse m, dans une dimension :

iℏ ∂ψ/∂t = −(ℏ²/2m) ∂²ψ/∂x² + V(x,t)ψ

Une écriture courte est iℏ ∂ψ/∂t = Ĥψ. L’opérateur Ĥ, appelé hamiltonien, représente l’énergie totale.

La dérivée ∂ψ/∂t décrit le changement dans le temps ; ∂²ψ/∂x² décrit la courbure spatiale. L’équation s’applique ici sans spin ni effets relativistes.

3. Une onde qui évolue, une probabilité à mesurer

Modèle : un électron enfermé entre deux parois idéales. Comparez un état d’énergie bien définie avec une superposition de deux états.

━ Partie réelle de ψ━ Partie imaginaire de ψ━ Densité |ψ|²

Aire colorée sous la densité :

Dans un état stationnaire, ψ change de phase mais |ψ|² reste fixe. Dans cette superposition, les interférences font varier la densité. L’électron ne suit pas pour autant une trajectoire dessinée par ces courbes.

Abscisse x/L et amplitudes sans dimension : on trace √L ψ et L|ψ|², avec une échelle verticale propre à chaque panneau. Temps fortement ralenti, phase relative conservée ; ce n’est pas une simulation en secondes réelles.

4. Pourquoi des niveaux d’énergie ?

Les parois imposent ψ(0) = ψ(L) = 0. Seules certaines ondes sinusoïdales conviennent : un nombre entier de demi-longueurs d’onde tient dans la boîte.

ψn(x) = √(2/L) sin(nπx/L)
En = n²h² / (8mL²)

n = 1, 2, 3… ; m est ici la masse de l’électron. À l’intérieur, V = 0 ; les parois ont un potentiel idéalement infini.

Énergie En : eV

Les cinq premières énergies sont tracées. L’échelle verticale s’adapte à la largeur choisie : consultez les valeurs en eV.

À observer : si n double, l’énergie est multipliée par 4. Si L double, elle est divisée par 4. Même l’état fondamental n = 1 a une énergie positive : dans ce modèle, il n’existe pas d’état n = 0 normalisable.

Pourquoi l’énergie augmente-t-elle comme n² ?

Dans la boîte, la longueur d’onde vaut λ = 2L/n. Avec la relation de de Broglie p = h/λ, on obtient p² = n²h²/(4L²). L’énergie cinétique p²/(2m) donne alors En = n²h²/(8mL²). L’état stationnaire est une onde debout ; il ne possède pas une impulsion signée unique.

La forme indépendante du temps

Quand le potentiel ne dépend pas du temps, on cherche ψ(x,t) = φ(x)e−iEt/ℏ. L’équation devient :

−(ℏ²/2m) d²φ/dx² + V(x)φ = Eφ

On cherche les fonctions φ et les énergies E compatibles avec le potentiel et les conditions aux limites. Cette quantification des énergies liées n’exclut pas des énergies continues dans d’autres situations, comme celle d’une particule libre.

5. Planck : le lien entre énergie et oscillation

Deux notations, une même constante

h = 6,626 070 15 × 10⁻³⁴ J·s
ℏ = h/(2π) ≈ 1,054 572 × 10⁻³⁴ J·s

La valeur de h est exacte dans le Système international. Sa dimension est celle d’une action : énergie × temps.

Pour un photon : E = hν = ℏω, où ν est la fréquence en hertz et ω = 2πν la pulsation en radians par seconde.

Dans l’équation de Schrödinger

ℏ relie l’énergie à la vitesse de rotation de la phase : l’état d’énergie E porte le facteur e−iEt/ℏ. La fréquence associée à cette phase ne signifie pas que l’électron émet automatiquement de la lumière.

ℏ² apparaît aussi dans le terme cinétique. Dans la boîte, h fixe l’échelle des énergies autorisées.

Laboratoire du photon

Faites varier la longueur d’onde λ d’un photon dans le vide. Sa fréquence vaut ν = c/λ.

Fréquence : Hz · Énergie : J = eV

Couleur indicative ; l’onde représente un champ lumineux schématique, pas la forme ni la trajectoire d’un photon. Animation ralentie, propagation dans le vide à c = 299 792 458 m/s.

Relier les deux laboratoires

Dans la boîte réglée ci-dessus, considérons la transition n = 2 → n = 1. Si l’électron est couplé au champ électromagnétique, un photon peut être émis avec :

ΔE = E₂ − E₁ = hν = hc/λ

Cette émission exige une interaction avec la lumière : l’équation de Schrödinger de la boîte isolée, à elle seule, ne décrit pas l’émission spontanée.

6. Ce qu’il faut distinguer

NotionCe qu’elle signifie
ψAmplitude complexe décrivant l’état quantique.
|ψ|²Densité de probabilité, à intégrer sur une région.
État stationnaireÉnergie définie ; densité de présence constante dans le temps.
SuperpositionCombinaison d’états ; leurs amplitudes interfèrent.
h et ℏMême constante fondamentale, avec un facteur 2π entre les deux.

Les orbitales des atomes se calculent avec le potentiel électrique du noyau, en trois dimensions. La boîte offre un exemple plus simple : ce n’est pas un modèle fidèle de l’atome d’hydrogène.

7. Vérifiez votre compréhension

Pour poursuivre

Parcours conseillé : lire l’idée générale, comparer les deux états animés, doubler la largeur de la boîte, puis modifier la longueur d’onde du photon.

Constantes utilisées : h = 6,62607015 × 10⁻³⁴ J·s ; c = 299792458 m/s ; 1 eV = 1,602176634 × 10⁻¹⁹ J (valeurs exactes) ; masse de l’électron ≈ 9,1093837 × 10⁻³¹ kg. Références pour approfondir : BIPM — Brochure du SI ; MIT OpenCourseWare — Quantum Physics I.