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Le syndrôme de l'escalier

Une particule quantique (un atome, un électron, un photon, …) a des propriétés quantifiées, d’où l’appellation « quantique ». Cela veut dire que ses propriétés ne peuvent prendre que certaines valeurs particulières. Si par exemple on imagine un objet quantique monter un escalier, il passera brusquement d’une marche à l’autre sans étape intermédiaire. Ainsi, l’énergie d’un électron dans un atome ne peut prendre que certaines valeurs bien précises.

C’est pour cela que tous les atomes ayant un même nombre d’électrons ont exactement les mêmes propriétés qu’on soit en France ou en Australie. Sans cette quantification, l’électron pourrait adopter n’importe quelle énergie et s’écroulerait très vite sur le noyau dans un atome, menant à la destruction de notre univers en très peu de temps !

Les énergies de l’atome d’hydrogène ne prennent que certaines valeurs quantifiées indiquées par les barres verticales

Quantification du flux magnétique dans un anneau supraconducteur, Crédits : M. G. Castellano

D’où vient cette quantification ? On peut essayer d’en comprendre l’origine par exemple dans le cas de l’électron autour de l’atome. L’électron est en quelque sorte « coincé » autour de l’atome comme si il était piégé dans une boite. Cet électron est de plus à la fois un corps et une onde avec des bosses et des creux (le physicien parle de période).

La situation ressemble donc à celle de vagues dans un aquarium  rempli d’eau: l’onde formée par les vagues rebondit sur les bords. Mais c’est seulement si les vagues de cette onde se superposent bien à elles-mêmes lors du rebond que l’onde pourra survivre. L’onde ne peut avoir que certaines distances précises entre ses vagues pour durer dans le temps : elle est « quantifiée ». C’est un peu la même chose pour une guitare où l’on fait vibrer une corde en la pinçant : l’onde sur la corde ne peut prendre qu’une certaine forme et un certain nombre de bosses et de creux, car elle a une longueur bien définie, comme la longueur de l’aquarium, ce qui produit une certaine note.

Bien des propriétés sont quantifiées à l’échelle nanométrique : l’énergie ; l’impulsion (la masse multipliée par la vitesse, aussi appelée quantité de mouvement) ; l’aimantation appelée spin ; le moment angulaire ; le flux magnétique dans un anneau supraconducteur

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