Catastrophe ultraviolette

Catastrophe ultraviolette
La catastrophe ultraviolette est l'erreur mise en évidence pour les courtes longueur d'ondes (correspondant à T > 5000K) dans la loi de Rayleigh du modèle classique (courbe en noir), donnant l'énergie émise par un corps noir idéal (la courbe correcte est celle en bleue prédite par la loi de Planck).

La catastrophe ultraviolette, formulée dans la seconde moitié du XIXe siècle et ainsi nommée par le physicien autrichien Paul Ehrenfest, est une prédiction contre-factuelle des théories classiques de la physique — électromagnétisme et physique statistique : un corps noir à l'équilibre thermodynamique est censé rayonner un flux infini. Plus précisément, l'énergie rayonnée par bande de longueur d'onde doit tendre vers l'infini quand la longueur d'onde tend vers zéro, « dans l'ultraviolet » pour les physiciens de l'époque, puisque ni les rayons X ni les rayons gamma n'étaient alors connus.

Cette anomalie montra l'échec des théories classiques de la physique dans certains domaines et constitua une des motivations pour la conception de la physique quantique : en 1900, Max Planck en jeta les prémisses, permettant de résoudre le problème du rayonnement du corps noir avec sa loi de Planck.

Sommaire

Résolution classique du corps noir

Un corps noir est modélisé par une cavité contenant de l'énergie sous forme d'un champ électromagnétique. En raison des conditions aux limites, le champ prend la forme d'une onde stationnaire admettant un ensemble discret de modes. Par exemple, les modes horizontaux d'une boîte ne peuvent avoir pour fréquence que

\,\nu = nc/L

où L est la longueur de la boîte, n un entier naturel non nul quelconque et c la vitesse de la lumière.

Ci-dessous: illustration des conditions aux limites en dimensions 1 et image des modes propres discrets possibles (voir aussi les articles Corde vibrante et Onde stationnaire)

Standing wave.gif

Harmonic partials on strings.svg


En électromagnétisme, on montre plus généralement que le nombre de modes par unité de fréquence de la cavité est proportionnelle au carré de la fréquence :

\,\frac{\mathrm{d}N}{\mathrm{d}\nu} \propto \nu^2.

En appliquant le théorème d'équipartition de l'énergie, chaque mode doit contenir une énergie kT/2, où k est la constante de Boltzmann et T la température du système. Il en résulte que l'énergie par unité de fréquence suit la loi de Rayleigh-Jeans :

\frac{\mathrm{d}E}{\mathrm{d}\nu} \propto T\nu^2.

Ainsi l'énergie par unité de fréquence tend vers l'infini lorsque la fréquence tend vers l'infini et l'énergie totale est infinie.

Résolution quantique du corps noir

TBW.

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Bibliographie


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