Optique Géométrique - UVT e-doc - Université Virtuelle de Tunis

Chapitre 1
corps qui absorbe intégralement tout rayonnement frappant sa surface.
Chauffé à haute température, le corps noir émet de la lumière à toutes les
longueurs d’ondes: Si l’on porte en fonction de la longueur d’onde, la
densité d’énergie radiative, on obtient une courbe régulière tendant vers zéro
pour les grandes et pour les faibles longueurs d’ondes et présentant un
maximum pour une longueur d’onde λ dépendant simplement de la
température suivant la loi dite de déplacement de "Wien" découverte en
1896 et qui stipule que le produit de la température par λ est une constante :
cette loi expérimentale est fabuleuse en ce sens qu’elle nous permet de
trouver la température connaissant λ et vice-versa. Ainsi sans poser les pieds
sur le Soleil, on peut savoir que la température à sa surface est de 6000°C.
Malheureusement, malgré de nombreuses tentatives, ces manifestations
expérimentales n’ont pu être reproduites par la théorie classique. Tout au
plus Rayleigh (1842-1919) et Jeans (1877-1946), combinant
l’électromagnétisme et la physique statistique, attribuèrent l’émission
lumineuse à un ensemble d’oscillateurs qui vibrent : chaque oscillateur ayant
une énergie moyenne continue proportionnelle à la température. Le résultat
trouvé ne reflète pas l’expérience et, s’il donne un accord pour les grandes
longueurs d’ondes, il conduit par sa continuité à une énergie rayonnée infinie
pour les faibles longueurs d’ondes, ce qui est inacceptable physiquement et
conduit à la catastrophe ultraviolette. Les physiciens firent d’autres
tentatives mais sans succès. Leur échec est dû essentiellement à leur
attachement au concept de la continuité de l’énergie considéré alors comme
fondamental et inattaquable. On érigeait pourtant en principe la
discontinuité de l’espace car les objets sont séparés les uns des autres, tout se
termine quelque part. Les molécules, les atomes,…ne s’interpénètrent pas, il
y a des limites bien nettes entre eux, seul était continu le vide dans lequel ils
flottent. Mais on ne disposait d’aucune notion similaire sur la divisibilité de
l’énergie : une pierre ne tomberait jamais avec un mouvement saccadé, le
Soleil n’éclairerait pas par flambées…
L’apport de Planck a été d’évaluer de façon différente l’énergie moyenne
de chaque oscillateur qu’il postule discrète et valant un multiple entier d’une
énergie ε. Pour bien reproduire le spectre expérimental, ε devra être une
fonction monotone de la fréquence ν. Planck prit alors la fonction la plus
simple qui est un monôme hν, h étant une constante. L’accord s’est révélé
parfait et la densité d’énergie rayonnée calculée par ce modèle reproduit
l’expérience et permit, moyennant quelques manipulations mathématiques
simples, de retrouver la loi de Wien et de calculer la constante h qui sera
appelée constante de Planck et qui vaut 6.62 10 -34 J.s. Le 14 décembre 1900
Planck énonce alors sa loi dans toute sa gloire : « les échanges d’énergie
entre la matière et le rayonnement ne se font pas de façon continue mais par
quantités discrètes et indivisibles d’énergie hν appelés "quanta" », quanta
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