Max Planck
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Médaille prix Nobel
Max Karl Ernst Ludwig Planck (23 avril 1858 - 4 octobre 1947) fut un physicien allemand, Prix Nobel de physique en 1918. Il reçut également le prix Goethe en 1945.
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Biographie
Max Planck, physicien allemand, est né le 23 Avril 1858 à Kiel, issu d’une famille nombreuse et bourgeoise. Ses arrière-grand-père et grand-père paternels étaient professeurs de théologie, son père professeur de droit, tandis que sa mère était issue d'un famille de pasteurs.
Études et débuts
Max Planck fait ses études secondaires à Munich où son père est professeur de droit à l'Université.
Il hésite alors entre se consacrer à la science ou à la musique. En 1874, il a fait son choix et entame des études de mathématiques et de physique à l’université. Il obtient son baccalauréat à dix-sept ans et, trois ans plus tard, il conclut son cursus universitaire à Berlin avec Hermann von Helmholtz et Gustav Kirchhoff comme professeurs.
En 1880, il soutient sa thèse de doctorat sur « le second principe de la thermodynamique » et la notion d'entropie en perpétuelle augmentation. Ses professeurs ne sont guère convaincus. Il passe néanmoins son habilitation l'année suivante (1880) sur « les états d'équilibre des corps isotropes aux différentes températures », aboutissant aux mêmes résultats que ceux obtenus auparavant par l'américain Josiah Willard Gibbs, dont les travaux étaient restés confidentiels.
Jusqu'en 1885, il recherche un poste d'enseignant en physique théorique, discipline peu à la mode à l'époque. Il obtiendra enfin un poste de professeur adjoint à Kiel en 1885. Il se marie en 1887 et devient père de famille en 1888.
Quatre ans plus tard, à la mort de Kirchhoff, et sur recommandation de Helmholtz, il est appelé à l’université de Berlin comme professeur adjoint puis titulaire en 1892.
Les recherches
Il y poursuit des travaux en thermodynamique, en électromagnétisme et en physique statistique.
Planck rejette le modèle atomiste des gaz de Maxwell et Boltzmann. Pour lui, la théorie atomique s’effondrera à terme en faveur de l’hypothèse de la matière continue.
A cette même époque Lord Kelvin identifie le rayonnement du corps noir comme l'un des problèmes à résoudre. Jožef Stefan, Ludwig Boltzmann, Wilhelm Wien s'y attaquent ainsi que Otto Richard Lummer, Ernst Pringsheim, Heinrich Rubens, Ferdinand Kurlbaum, Friedrich Paschen et, bien entendu, Lord Rayleigh. Travaillant à formuler avec exactitude le second principe de la thermodynamique, Planck s’intéresse dès 1894 au rayonnement électromagnétique du corps noir. Il adopte les méthodes statistiques de Boltzmann. En 1899, il introduit les constantes de Planck (h) et de Boltzmann (k) en même temps que la notion des quanta. En octobre 1900, il détermine la loi de répartition spectrale du rayonnement thermique du corps noir, sans en maîtriser l'interprétation physique.
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C’est à la fin de 1900 qu’il présente sa découverte à la société de physique de Berlin. C’est la naissance de la théorie des quanta, à l'approfondissement de laquelle il participera peu, laissant Einstein l'étayer solidement.
Aussi étonnant que celà puisse paraître, Planck avait beaucoup de mal à accepter sa propre hyptohèse, rendant la matière « discontinue ».
Les honneurs
Depuis 1894 il est membre de l'Académie de Prusse dont il est nommé secrétaire perpétuel du comité de physique en 1912.
Il reçoit pour son œuvre le prix Nobel de physique en 1919.
La médaille « Max Planck » de physique est créée, qui lui est conjointement attribuée avec Einstein en 1929.
L’année suivante, à la mort de von Harnack, Planck est nommé président de la société KWG (Kaiser Wilhelm Gesellschaft, en l'honneur du kaiser Guillaume) qui deviendra après la seconde guerre mondiale le Max-Planck-Institute, l'une des grandes institutions de la recherche allemande.
Dans le même temps, il rédige des traités de physique théorique, et travaille sur des ouvrages de vulgarisation réputés pour leur accessibilité. Très nationaliste, il mettra du temps (1938) à s'écarter du nazisme. Max Planck meurt le 4 octobre 1947 à Göttingen.
Planck aura été reconnu par les plus grands scientifiques, même avant sa mort. Einstein dit de lui qu’il fut « un homme à qui il a été donné de doter le monde d’une grande idée créatrice. » Quant à Louis de Broglie, il affirme : « l’œuvre qu’il a accomplie est de celles qui assurent à leur auteur une gloire immortelle et, si quelque cataclysme ne vient pas anéantir notre civilisation, les physiciens des siècles à venir parleront toujours de la constante de Planck et ne cesseront de répéter avec admiration le nom de celui qui a révélé aux hommes l’existence des quanta. ».
Ses découvertes
En 1900, Max Planck découvrit la loi spectrale du rayonnement d'un corps noir (publiée en 1901) en essayant de réconcilier la loi de Rayleigh-Jeans qui fonctionne aux grandes longueurs d'ondes (basses fréquences) et la loi de Wien qui fonctionne aux petites longueurs d'ondes (hautes fréquences). Il trouva que sa fonction correspondait remarquablement bien aux données pour toutes les longueurs d'ondes.
La correction de la loi de Rayleigh-Jeans était particulièrement importante, car elle était construite sur une base théorique forte : la thermodynamique telle qu'elle était connue à l'époque ; mais souffrait d'un défaut majeur aux longueurs d'ondes courtes : la catastrophe ultraviolette. Cela suggérait que la thermodynamique était fausse.
Planck essaya de produire une nouvelle théorie fondamentale destinée à remplacer la thermodynamique.
La loi de Rayleigh-Jeans et la loi de Planck utilisent le théorème d'équipartition et font correspondre un oscillateur à chaque fréquence. Rayleigh supposait que tous les oscillateurs étaient également excités, sa loi prédisait que les oscillateurs de très courtes longueurs d'ondes étaient fortement excités même à température ambiante.
Planck déduisit sa loi de façon empirique, puis arriva à la justifier en postulant audacieusement que l'énergie émise ou absorbée par les oscillateurs ne se faisait que par petits paquets d'énergie E, directement reliés à la fréquence des oscillations selon la formule qu'il exposa le 14 décembre 1900 :
- E = hν
où,
- h est la constante de Planck
- ν est la fréquence du rayonnement électromagnétique.
Cette hypothèse permettait de limiter l'excitation des oscillateurs aux courtes longueurs d'ondes, puisqu'il ne pouvaient absorber qu'une énergie au moins égale à hν.
Bien qu'il est facile maintenant d'interpréter cela en terme de quantification de la lumière en photons, Planck ne proposa pas cette quantification.
Cela apparaît clairement dans son article de 1901, dans les références qu'il donne dans cet article sur le travail qu'l a effectué sur le sujet, ainsi que dans son livre Theory of Heat Radiation (Théorie du rayonnement de la chaleur) où il explique que sa constante concerne les oscillateurs.
À l'époque, cette relation n'était considérée que comme un artifice de calcul mathématique. L'idée de quantification fut développée par d'autres, notamment Einstein qui en étudiant l'effet photoélectrique proposa un modèle et une équation dans lesquels la lumière était non seulement émise mais aussi absorbée par paquets ou photons ; avec pour la première fois l'introduction de la nature corpusculaire de la lumière.
Voir aussi
Lien externe