Mécanique Quantique - Tome 1
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Description

Ouvrage publié grâce au mécénat du Centre National de la Recherche Scientifique, de Paris-Sciences-et-Lettres et du Collège de France.

Cet ouvrage, issu de nombreuses années d’enseignements universitaires à divers niveaux, a été conçu afin de faciliter le premier contact avec la physique quantique et d’aider ensuite le lecteur à progresser continûment dans la compréhension de cette physique. Les deux premiers tomes, publiés il y a plus de 40 ans, sont devenus des classiques dans le monde entier, traduits dans de multiples langues. Ils se placent toutefois à un niveau intermédiaire et ont été complétés par un troisième tome d’un niveau plus avancé. L’ensemble est systématiquement fondé sur une approche progressive des problèmes, où aucune difficulté n’est passée sous silence et où chaque aspect du problème est discuté (en partant souvent d’un rappel classique).
Cette volonté d’aller au fond des choses se concrétise dans la structure même de l’ouvrage, faite de deux textes distincts mais imbriqués : les « chapitres » et les « compléments ». Les chapitres présentent les idées générales et les notions de base. Chacun d’entre eux est suivi de plusieurs compléments, en nombre variable, qui illustrent les méthodes et concepts qui viennent d’être introduits ; les compléments sont des éléments indépendants, dont le but est de proposer un large éventail d’applications et prolongements intéressants. Pour faciliter l’orientation du lecteur et lui permettre d’organiser ses lectures successives, un guide de lecture des compléments est proposé à la fin de chaque chapitre.
Le tome I fournit une introduction générale, suivie d’un chapitre détaillé qui décrit les outils mathématiques de base de la mécanique quantique. L’expérience d’enseignement des auteurs a montré que cette présentation est à terme la plus efficace. Les postulats sont ensuite clairement énoncés à partir du troisième chapitre avec de nombreuses applications en compléments. Ensuite sont décrites quelques grandes applications de la mécanique quantique, par exemple le spin et les systèmes à deux niveaux, ou encore l’oscillateur harmonique qui donne lieu à de très nombreuses applications (vibration des  molécules, phonons, etc.) dont bon nombre font l’objet d’un complément spécifique.


Tome I

I ONDES ET PARTICULES. INTRODUCTION AUX IDÉES FONDAMENTALES DE LA MÉCANIQUE QUANTIQUE 1

A Ondes électromagnétiques et photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

B Corpuscules matériels et ondes de matière . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

C Description quantique d’une particule. Paquets d’ondes . . . . . . . . . 14

D Particule dans un potentiel scalaire indépendant du temps . . . . . . . . 24

GUIDE DE LECTURE DES COMPLÉMENTS 35

AI Ordre de grandeur des longueurs d’onde 37

BI Contraintes imposées par la relation de Heisenberg 41

1 Système macroscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2 Système microscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

CI Relation de Heisenberg et paramètres atomiques 43

DI Une expérience illustrant la relation de Heisenberg 47

EI Paquet d’ondes à deux dimensions 51

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2 Dispersion angulaire et dimensions latérales . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3 Discussion physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

FI Lien entre les problèmes à une et à trois dimensions 55

1 Paquet d’ondes à trois dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2 Justification des modèles à une dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

GI Paquet d’ondes gaussien 59

1 Définition d’un paquet d’ondes gaussien . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2 Calcul de Δx et Δp ; relation de Heisenberg . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3 Evolution du paquet d’ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

HI Potentiels carrés à une dimension 65

1 Comportement d’une fonction d’onde stationnaire ϕ(x) . . . . . . . . . 65

2 Étude de certains cas simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

JI Paquet d’ondes dans une marche de potentiel 77

1 Réflexion totale : E < V0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

2 Réflexion partielle : E > V0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

KI Exercices 85

II LES OUTILS MATHÉMATIQUES DE LA MÉCANIQUE QUANTIQUE...89

A Espace des fonctions d’onde d’une particule . . . . . . . . . . . . . . . . 90

B Espace des états. Notations de Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

C Représentations dans l’espace des états . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

D Equation aux valeurs propres. Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

E Deux exemples importants de représentations et d’observables . . . . . . 141

F Produit tensoriel d’espaces d’états . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

GUIDE DE LECTURE DES COMPLÉMENTS 161

AII Inégalité de Schwarz 163

BII Rappel de quelques propriétés utiles des opérateurs linéaires 165

1 Trace d’un opérateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

2 Algèbre des commutateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

3 Restriction d’un opérateur à un sous-espace . . . . . . . . . . . . . . . . 167

4 Fonctions d’opérateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

5 Dérivation d’un opérateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

CII Opérateurs unitaires 175

1 Propriétés générales des opérateurs unitaires . . . . . . . . . . . . . . . 175

2 Transformation unitaire sur les opérateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

3 Opérateur unitaire infinitésimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

DII Etude plus détaillée des représentations {|ri} et {|pi} 183

1 Représentation {|ri} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

2 Représentation {|pi} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

EII Quelques propriétés générales de deux observables Q et P dont le commutateur est égal à i~ 189

1 Opérateur S(λ) : définition, propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

2 Valeurs propres et vecteurs propres de Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

3 Représentation {|qi} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

4 Représentation {|pi}. Symétrie entre les observables P et Q . . . . . . . 192

FII Opérateur parité 195

1 Etude de l’opérateur parité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

2 Opérateurs pairs et impairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

3 Etats propres d’une observable B+ paire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

4 Application à un cas particulier important . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

GII Application des propriétés du produit tensoriel ; puits infini à deux dimensions 203

1 Définition ; états propres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

2 Etude des niveaux d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

HII Exercices 207

III LES POSTULATS DE LA MÉCANIQUE QUANTIQUE 215

A Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

B Enoncé des postulats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

C Interprétation physique des postulats sur les observables et leur mesure 229

D Contenu physique de l’équation de Schrödinger . . . . . . . . . . . . . . 239

E Principe de superposition et prévisions physiques . . . . . . . . . . . . . 256

GUIDE DE LECTURE DES COMPLÉMENTS 271

AIII Particule dans un puits de potentiel infini : étude physique 275

1 Répartition des valeurs de l’impulsion dans un état stationnaire . . . . . 275

2 Evolution de la fonction d’onde de la particule . . . . . . . . . . . . . . 279

3 Perturbation apportée par une mesure de la position . . . . . . . . . . . 283

BIII Etude du courant de probabilité dans quelques cas particuliers 287

1 Expression du courant dans des régions où le potentiel est constant . . . 287

2 Application aux problèmes de marches de potentiel . . . . . . . . . . . . 288

3 Courant de probabilité des ondes incidente et évanescente, dans le cas

d’une réflexion sur une marche de potentiel à deux dimensions . . . 289

CIII Ecarts quadratiques moyens de deux observables conjuguées 293

1 Relation de Heisenberg pour P et Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

2 Paquet d’ondes “minimum” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

DIII Mesures portant sur une partie d’un système physique 297

1 Calcul des prévisions physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

2 Signification physique d’un état produit tensoriel . . . . . . . . . . . . . 299

3 Signification physique d’un état qui n’est pas un produit tensoriel . . . . 300

EIII L’opérateur densité 303

1 Position du problème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

2 Notion de mélange statistique d’états . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

3 Cas pur. Introduction de l’opérateur densité . . . . . . . . . . . . . . . . 305

4 Mélange statistique d’états (cas non pur) . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

5 Exemples d’utilisation de l’opérateur densité . . . . . . . . . . . . . . . 312

FIII Opérateur d’évolution 317

1 Propriétés générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

2 Cas des systèmes conservatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

GIII Points de vue de Schrödinger et de Heisenberg 321

HIII Invariance de jauge 325

1 Position du problème : potentiels scalaire et vecteur associés à un champ

électromagnétique ; notion de jauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

2 Invariance de jauge en mécanique classique . . . . . . . . . . . . . . . . 326

3 Invariance de jauge en mécanique quantique . . . . . . . . . . . . . . . . 331

JIII Propagateur de l’équation de Schrödinger 339

1 Introduction. Idée physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

2 Existence et propriétés d’un propagateur K(2, 1) . . . . . . . . . . . . . 340

3 Formulation lagrangienne de la mécanique quantique . . . . . . . . . . . 343

KIII Niveaux instables. Durée de vie 347

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

2 Définition de la durée de vie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

3 Description phénoménologique de l’instabilité d’un niveau . . . . . . . . 349

LIII Exercices 351

MIII Etats liés dans un “puits de potentiel” de forme quelconque 363

1 Quantification de l’énergie des états liés . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

2 Valeur minimale de l’énergie du niveau fondamental . . . . . . . . . . . 367

NIII Etats non liés d’une particule en présence d’un puits ou d’une

barrière de potentiel de forme quelconque 371

1 Matrice de transmission M(k) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

2 Coefficients de transmission et de réflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

3 Exemple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

OIII Propriétés quantiques d’une particule dans une structure périodique à une dimension 379

1 Traversée successive de plusieurs barrières de potentiel identiques . . . . 380

2 Discussion physique : notion de bande d’énergie permise ou interdite . . 386

3 Quantification des niveaux d’énergie dans un potentiel de structure périodique ; effet des conditions aux limites . . . 388

IV APPLICATION DES POSTULATS À DES CAS SIMPLES :

SPIN 1/2 ET SYSTÈMES À DEUX NIVEAUX 397

A Particule de spin 1/2 : quantification du moment cinétique . . . . . . . 398

B Illustration des postulats sur le cas d’un spin 1/2 . . . . . . . . . . . . . 405

C Etude générale des systèmes à deux niveaux . . . . . . . . . . . . . . . . 416

GUIDE DE LECTURE DES COMPLÉMENTS 427

AIV Les matrices de Pauli 429

1 Définition ; valeurs propres et vecteurs propres . . . . . . . . . . . . . . 429

2 Propriétés simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

3 Une base commode de l’espace des matrices 2 × 2 . . . . . . . . . . . . . 431

BIV Diagonalisation d’une matrice hermitique 2 × 2 433

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433

2 Changement d’origine pour le repérage des valeurs propres . . . . . . . 433

3 Calcul des valeurs propres et vecteurs propres . . . . . . . . . . . . . . . 435

CIV Spin fictif 1/2 associé à un système à deux niveaux 439

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

2 Interprétation de l’hamiltonien en termes de spin fictif . . . . . . . . . . 439

3 Interprétation géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

DIV Système de deux spins 1/2 445

1 Description quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445

2 Prédiction des résultats de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

EIV Matrice densité d’un spin 1/2 453

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

2 Matrice densité d’un spin parfaitement polarisé (cas pur) . . . . . . . . 453

3 Exemple de mélange statistique : spin non polarisé . . . . . . . . . . . . 454

4 Spin 1/2 à l’équilibre thermodynamique dans un champ statique . . . . 456

5 Décomposition de la matrice densité sur les matrices de Pauli . . . . . . 457

FIV Résonance magnétique 459

1 Traitement classique ; référentiel tournant . . . . . . . . . . . . . . . . . 459

2 Traitement quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462

3 Lien entre le traitement classique et le traitement quantique : évolution de hMi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467

4 Equations de Bloch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467

GIV Modèle simple pour la molécule d’ammoniac 473

1 Description du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473

2 Fonctions propres et valeurs propres de l’hamiltonien . . . . . . . . . . . 475

3 La molécule d’ammoniac considérée comme un système à deux niveaux 482

HIV Effets d’un couplage entre un état stable et un état instable 489

1 Introduction. Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489

2 Influence d’un couplage faible sur des niveaux d’énergies différentes . . . 490

3 Influence d’un couplage quelconque sur des niveaux de même énergie . . 491

JIV Exercices 495

V L’OSCILLATEUR HARMONIQUE À UNE DIMENSION 501

A Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501

B Valeurs propres de l’hamiltonien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507

C Etats propres de l’hamiltonien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514

D Discussion physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521

GUIDE DE LECTURE DES COMPLÉMENTS 529

AV Etude de quelques exemples physiques d’oscillateurs harmoniques531

1 Vibration des noyaux d’une molécule diatomique . . . . . . . . . . . . . 531

2 Vibration des noyaux dans un cristal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538

3 Oscillations de torsion d’une molécule : exemple de l’éthylène . . . . . . 540

4 Atomes muoniques lourds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546

BV Etude des états stationnaires en représentation {|xi}. Polynômes d’Hermite 551

1 Les polynômes d’Hermite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551

2 Les fonctions propres de l’hamiltonien de l’oscillateur harmonique . . . 554

CV Résolution de l’équation aux valeurs propres de l’oscillateur

harmonique par la méthode polynomiale 559

1 Changement de fonction et de variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559

2 Méthode polynomiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561

DV Etude des états stationnaires en représentation {|pi} 567

1 Fonctions d’onde dans l’espace des impulsions . . . . . . . . . . . . . . . 567

2 Discussion physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570

EV L’oscillateur harmonique isotrope à trois dimensions 573

1 L’opérateur hamiltonien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573

2 Séparation des variables en coordonnées cartésiennes . . . . . . . . . . . 574

3 Dégénérescence des niveaux d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576

FV Oscillateur harmonique chargé placé dans un champ électrique uniforme 579

1 Equation aux valeurs propres de H′(E ) en représentation {|xi} . . . . . 580

2 Discussion physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581

3 Utilisation de l’opérateur translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583

GV Etats cohérents “quasi classiques” de l’oscillateur harmonique 587

1 Recherche des états quasi classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588

2 Propriétés des états |αi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592

3 Evolution d’un état quasi classique au cours du temps . . . . . . . . . . 599

4 Exemple d’application : étude quantique d’un oscillateur macroscopique 601

HV Modes propres de vibration de deux oscillateurs harmoniques couplés 603

1 Vibrations des deux particules en mécanique classique . . . . . . . . . . 603

2 Etats de vibration du système en mécanique quantique . . . . . . . . . . 609

JV Modes de vibration d’une chaîne linéaire indéfinie d’oscillateurs harmoniques couplés ; phonons 615

1 Etude classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616

2 Etude quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626

3 Application à l’étude des vibrations dans un cristal : les phonons . . . . 630

KV Modes de vibration d’un système physique continu. Application au rayonnement ; photons 635

1 Position du problème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635

2 Modes de vibration d’un système mécanique continu : exemple de la corde vibrante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636

3 Modes de vibration du rayonnement : les photons . . . . . . . . . . . . . 643

LV Oscillateur harmonique à une dimension en équilibre thermodynamique à la température T 651

1 Energie moyenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652

2 Discussion physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654

3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655

4 Distribution de probabilité de l’observable X . . . . . . . . . . . . . . . 659

MV Exercices 667

VI MOMENTS CINÉTIQUES EN MÉCANIQUE QUANTIQUE 673

A Introduction : importance du moment cinétique . . . . . . . . . . . . . . 673

B Relations de commutation caractéristiques des moments cinétiques . . . 675

C Théorie générale du moment cinétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678

D Application au moment cinétique orbital . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691

GUIDE DE LECTURE DES COMPLÉMENTS 709

AVI Les harmoniques sphériques 711

1 Calcul des harmoniques sphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711

2 Propriétés des harmoniques sphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716

BVI Moment cinétique et rotations 723

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723

2 Etude succincte des rotations géométriques R . . . . . . . . . . . . . . . 724

3 Opérateurs de rotation dans l’espace des états.

Exemple d’une particule sans spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726

4 Opérateurs de rotation dans l’espace des états d’un système quelconque 733

5 Rotation des observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736

6 L’invariance par rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 740

CVI Rotation des molécules diatomiques 745

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745

2 Rotateur rigide. Etude classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746

3 Quantification du rotateur rigide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747

4 Manifestations expérimentales de la rotation des molécules . . . . . . . 752

DVI Moment cinétique des états stationnaires d’un oscillateur harmonique à deux dimensions 761

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761

2 Classification des états stationnaires au moyen des nombres quantiques nx et ny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765

3 Classification des états stationnaires en fonction de leur moment cinétique767

4 Etats quasi classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771

EVI Particule chargée dans un champ magnétique. Niveaux de Landau...777

1 Rappels classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777

2 Propriétés quantiques générales d’une particule dans un champ magnétique782

3 Cas où le champ magnétique est uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . 785

FVI Exercices 801

VII PARTICULE DANS UN POTENTIEL CENTRAL. ATOME

D’HYDROGÈNE 809

A Etats stationnaires d’une particule dans un potentiel central . . . . . . . 810

B Mouvement du centre de masse et mouvement relatif pour un système de deux particules en interaction . . . . . 819

C L’atome d’hydrogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824

GUIDE DE LECTURE DES COMPLÉMENTS 839

AVII Systèmes hydrogénoïdes 841

1 Systèmes hydrogénoïdes comprenant un électron . . . . . . . . . . . . . 842

2 Systèmes hydrogénoïdes sans électron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 847

BVII Exemple soluble de potentiel central : l’oscillateur harmonique isotrope à trois dimensions 851

1 Résolution de l’équation radiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 852

2 Niveaux d’énergie et fonctions d’onde stationnaires . . . . . . . . . . . . 854

CVII Courants de probabilité associés aux états stationnaires de l’atome d’hydrogène 861

1 Expression générale du courant de probabilité . . . . . . . . . . . . . . . 861

2 Application aux états stationnaires de l’atome d’hydrogène . . . . . . . 862

DVII Atome d’hydrogène plongé dans un champ magnétique uniforme.

Paramagnétisme et diamagnétisme. Effet Zeeman 865

1 Hamiltonien du problème. Terme paramagnétique et terme diamagnétique...866

2 Effet Zeeman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 872

EVII Etude de quelques orbitales atomiques. Orbitales hybrides 879

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 879

2 Orbitales atomiques associées à des fonctions d’onde réelles . . . . . . . 880

3 Hybridation sp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 886

4 Hybridation sp2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 888

5 Hybridation sp3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 892

FVII Niveaux de vibration-rotation des molécules diatomiques 895

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895

2 Résolution approchée de l’équation radiale . . . . . . . . . . . . . . . . . 896

3 Evaluation de quelques corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902

GVII Exercices 909

1 Particule dans un potentiel à symétrie cylindrique . . . . . . . . . . . . 909

2 Oscillateur harmonique à trois dimensions dans un champ magnétique uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 909

INDEX 911

Sujets

Informations

Publié par
Date de parution 27 septembre 2018
Nombre de lectures 4
EAN13 9782759830060
Langue Français
Poids de l'ouvrage 22 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,7800€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Extrait

Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu et Franck Laloë
Mécanique Quantique - Tome 1
Nouvelle édition
Copyright

© EDP Sciences, Les Ulis, 2018
ISBN papier : 9782759822874 ISBN numérique : 9782759830060
Composition numérique : 2023
http://publications.edpsciences.org/
Cette uvre est protégée par le droit d auteur et strictement réservée à l usage privé du client. Toute reproduction ou diffusion au profit de tiers, à titre gratuit ou onéreux, de tout ou partie de cette uvre est strictement interdite et constitue une contrefaçon prévue par les articles L 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle. L éditeur se réserve le droit de poursuivre toute atteinte à ses droits de propriété intellectuelle devant les juridictions civiles ou pénales.
Présentation

Ouvrage publié grâce au mécénat du Centre National de la Recherche Scientifique, de Paris-Sciences-et-Lettres et du Collège de France.
Cet ouvrage, issu de nombreuses années d’enseignements universitaires à divers niveaux, a été conçu afin de faciliter le premier contact avec la physique quantique et d’aider ensuite le lecteur à progresser continûment dans la compréhension de cette physique. Les deux premiers tomes, publiés il y a plus de 40 ans, sont devenus des classiques dans le monde entier, traduits dans de multiples langues. Ils se placent toutefois à un niveau intermédiaire et ont été complétés par un troisième tome d’un niveau plus avancé. L’ensemble est systématiquement fondé sur une approche progressive des problèmes, où aucune difficulté n’est passée sous silence et où chaque aspect du problème est discuté (en partant souvent d’un rappel classique). Cette volonté d’aller au fond des choses se concrétise dans la structure même de l’ouvrage, faite de deux textes distincts mais imbriqués : les « chapitres » et les « compléments ». Les chapitres présentent les idées générales et les notions de base. Chacun d’entre eux est suivi de plusieurs compléments, en nombre variable, qui illustrent les méthodes et concepts qui viennent d’être introduits ; les compléments sont des éléments indépendants, dont le but est de proposer un large éventail d’applications et prolongements intéressants. Pour faciliter l’orientation du lecteur et lui permettre d’organiser ses lectures successives, un guide de lecture des compléments est proposé à la fin de chaque chapitre. Le tome I fournit une introduction générale, suivie d’un chapitre détaillé qui décrit les outils mathématiques de base de la mécanique quantique. L’expérience d’enseignement des auteurs a montré que cette présentation est à terme la plus efficace. Les postulats sont ensuite clairement énoncés à partir du troisième chapitre avec de nombreuses applications en compléments. Ensuite sont décrites quelques grandes applications de la mécanique quantique, par exemple le spin et les systèmes à deux niveaux, ou encore l’oscillateur harmonique qui donne lieu à de très nombreuses applications (vibration des  molécules, phonons, etc.) dont bon nombre font l’objet d’un complément spécifique.
Table des matières Avertisssement important, mode d emploi Avant-propos Chapitre I. Ondes et particules. Introduction aux idées fondamentales de la mécanique quantique A. Ondes électromagnétiques et photons B. Corpuscules matériels et ondes de matière C. Description quantique d une particule. Paquets d ondes D. Particule dans un potentiel scalaire indépendant du temps Conclusion Compléments du Chapitre I Complément A I . Ordre de grandeur des longueurs d onde associées à des corpuscules matériels Complément B I . Contraintes imposées par la relation de Heisenberg Complément C I . Relation de Heisenberg et paramètres atomiques Complément D I . Une expérience illustrant la relation de Heisenberg Complément E I . Étude simple d un paquet d ondes à deux dimensions Complément F I . Lien entre les problèmes à une et à trois dimensions Complément G I . Paquet d ondes gaussien à une dimension ; étalement du paquet d ondes Complément H I . Etats stationnaires d une particule dans des potentiels carrés à une dimension Complément J I . Comportement d un paquet d ondes dans une marche de potentiel Complément K I . Exercices Chapitre II. Les outils mathématiques de la mécanique quantique A. Espace des fonctions d onde d une particule B. Espace des états. Notations de Dirac C. Représentations dans l espace des états D. Équation aux valeurs propres. Observables E. Deux exemples importants de représentations et d observables F. Produit tensoriel d espaces d états Compléments du Chapitre II Complément A II . Inégalité de Schwarz Complément B II . Rappel de quelques propriétés utiles des opérateurs linéaires 1. Trace d un opérateur 2. Algèbre des commutateurs 3. Restriction d un opérateur à un sous-espace 4. Fonctions d opérateurs 5. Dérivation d un opérateur Complément C II . Opérateurs unitaires 1. Propriétés générales des opérateurs unitaires 2. Transformation unitaire sur les opérateurs 3. Opérateur unitaire infinitésimal Complément D II . Etude plus détaillée des représentations {| r } et {| p } 1. Représentation {| r } 2. Représentation {| p } Complément E II . Quelques propriétés générales de deux observables Q et P dont le commutateur est égal à i 1. Opérateur S ( ) : définition, propriétés 2. Valeurs propres et vecteurs propres de Q 3. Représentation {| q } 4. Représentation {| p }. Symétrie entre les observables P et Q Complément F II . Opérateur parité 1. Étude de l opérateur parité 2. Opérateurs pairs et impairs 3. Etats propres d une observable B + paire 4. Application à un cas particulier important Complément G II . Application des propriétés du produit tensoriel ; puits infini à deux dimensions 1. Définition ; états propres 2. Etude des niveaux d énergie Complément H II . Exercices Notations de Dirac. Commutateurs. Vecteurs et valeurs propres Ensembles d observables qui commutent. E.C.O.C. Corrigé de l exercice 11 Corrigé de l exercice 12 Chapitre III. Les postulats de la mécanique quantique A. Introduction B. Énoncé des postulats C. Interprétation physique des postulats sur les observables et leur mesure D. Contenu physique de l équation de Schrödinger E. Principe de superposition et prévisions physiques Compléments du Chapitre III Complément A III . Particule dans un puits de potentiel infini à une dimension : étude physique 1. Répartition des valeurs de l impulsion dans un état stationnaire 2. Évolution de la fonction d onde de la particule 3. Perturbation apportée par une mesure de la position Complément B III . Étude du courant de probabilité dans quelques cas particuliers 1. Expression du courant dans des régions où le potentiel est constant 2. Application aux problèmes de marches de potentiel 3. Courant de probabilité des ondes incidente et évanescente, dans le cas d une réflexion sur une marche de potentiel à deux dimensions Complément C III . Écarts quadratiques moyens de deux observables conjuguées 1. Relation de Heisenberg pour P et Q 2. Paquet d ondes minimum Complément D III . Mesures portant sur une partie seulement d un système physique 1. Calcul des prévisions physiques 2. Signification physique d un état produit tensoriel 3. Signification physique d un état qui n est pas un produit tensoriel Complément E III . L opérateur densité Complément F III . Opérateur d évolution Complément G III . Points de vue de Schrödinger et de Heisenberg Complément H III . Invariance de jauge Complément J III . Propagateur de l équation de Schrödinger Complément K III . Niveaux instables. Durée de vie Complément L III . Exercices Complément M III . États liés d une particule dans un puits de potentiel de forme quelconque Complément N III . États non liés d une particule en présence d un puits ou d une barrière de potentiel de forme quelconque Complément O III . Propriétés quantiques d une particule dans une structure périodique à une dimension Chapitre IV. Application des postulats à des cas simples : spin 1/2 et systèmes à deux niveaux A. Particule de spin 1/2 : quantification du moment cinétique B. Illustration des postulats sur le cas d un spin 1/2 C. Etude générale des systèmes à deux niveaux Compléments du Chapitre VI Complément A IV . Les matrices de Pauli Complément B IV . Diagonalisation d une matrice hermitique 2×2 Complément C IV . Spin fictif 1/2 associé à un système à deux niveaux Complément D IV . Système de deux spins 1/2 Complément E IV . Matrice densité d un spin 1/2 Complément F IV . Spin 1/2 dans un champ magnétique statique et un champ tournant : résonance magnétique Complément G IV . Etude de la molécule d ammoniac au moyen d un modèle simple Complément H IV . Effets d un couplage entre un état stable et un état instable Complément J IV . Exercices Chapitre V. L oscillateur harmonique à une dimension A. Introduction B. Valeurs propres de l hamiltonien C. États propres de l hamiltonien D. Discussion physique Compléments du chapitre V Complément A V . Etude de quelques exemples physiques d oscillateurs harmoniques Complément B v . Étude des états stationnaires en représentation {| x }. Polynômes d Hermite Complément C v . Résolution de l équation aux valeurs propres de l oscillateur harmonique par la méthode polynomiale Complément D v . Étude des états stationnaires en représentation {| p } Complément E V . L oscillateur harmonique isotrope à trois dimensions Complément F V . Oscillateur harmonique chargé placé dans un champ électrique uniforme Complément G V . États cohérents quasi classiques de l oscillateur harmonique Complément H V . Modes propres de vibration de deux oscillateurs harmoniques couplés Complément J V . Modes de vibration d une chaîne linéaire indéfinie d oscillateurs harmoniques couplés ; phonons Complément K V . Modes de vibration d un système physique continu. Application au rayonnement ; photons Complément L V . Oscillateur harmonique à une dimension en équilibre thermodynamique à la température T Complément M v . Exercices Chapitre VI. Propriétés générales des moments cinétiqu

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