Physique quantique, physique statistique et chimie physique

Contenu du cours

Concepts fondamentaux de physique quantique: Particules et forces. Dualité onde-particule. Équations d'ondes relativistes et non relativistes. Équation de Schrödinger à une et trois dimensions. Postulats et interprétation (relations d'incertitude, chat de Schrödinger). Moment cinétique orbital. Atome d'hydrogène. Systèmes de particules. Principe d'exclusion de Pauli. Spin. Structure des atomes. Molécules et solides. Noyaux. Interaction lumière-matière, transitions électromagnétiques et spectre.

Concepts fondamentaux de physique statistique et de chimie physique: Énergie, entropie et température. Distributions de Boltzmann et de Maxwell. Paramagnétisme. Loi de Planck. Gaz parfaits et leurs transformations. Théorème d’équipartition de l’énergie. Capacités calorifiques des solides et des gaz. Principes de la thermodynamique. Potentiels thermodynamiques. Équilibres entre phases. Viscosité, diffusion et mouvement Brownien. Statistiques de Fermi-Dirac et de Bose-Einstein (condensation de Bose-Einstein).

Applications technologiques: laser, réseau de diffraction, polariseur, informatique quantique, semiconducteurs, supraconducteurs, superfluides, magnétisme, microscope à effet tunnel, production d'énergie nucléaire par fission et fusion (aspects éthiques, impact sur la transition énergétique et la durabilité), codage de l’information, échangeur de chaleur, moteur, pompe à chaleur, distillation, osmose inverse, délivrance de médicaments, ingénierie tissulaire.

Objectifs (et/ou acquis d'apprentissages spécifiques)

Comprendre les concepts fondamentaux de la physique quantique, de la physique statistique et de la chimie-physique et savoir les mettre en œuvre pour la modélisation de systèmes physiques simples. En physique quantique, modéliser des systèmes unidimensionnels, des atomes, des molécules, des noyaux à l'aide de l'équation de Schrödinger ; en physique statistique, modéliser des systèmes divers (solides – liquide – gaz de photons, d'électrons, d'atomes, de molécules, de fermions, de bosons) à toute température, à l'aide des distributions statistiques appropriées ; en chimie physique, analyser les transformations thermodynamiques, les équilibres entre phases ainsi que les phénomènes de transport de quantité de mouvement et de matière, notamment la viscosité, la diffusion et le mouvement brownien.

Résoudre mathématiquement (analytiquement, graphiquement, numériquement) les modèles ainsi établis dans les cas les plus simples.

Situer les origines de la physique quantique, de la physique statistique et de la chimie physique dans l'histoire des sciences.

Connaitre les principales applications technologiques actuelles (lasers, spectroscopie, semiconducteurs, centrales nucléaires, moteurs, échangeurs de chaleur...), réfléchir à leurs enjeux éthiques et à leur impact sur la transition énergétique.

Pré-requis et Co-requis

Cours pré-requis

Cours co-requis

Cours ayant celui-ci comme pré-requis

Méthodes d'enseignement et activités d'apprentissages

Cours ex cathedra, exercices sur papier, utilisation de Python comme calculatrice scientifique.

Références, bibliographie et lectures recommandées

J.-L. Basdevant et J. Dalibard, Mécanique Quantique (Éditions de l'École Polytechnique, 2005)
J.-L. Basdevant and J. Dalibard, Quantum Mechanics (Springer, 2005)
D. Baye, M. Dufour et B. Fuks, Mécanique quantique - Une introduction générale illustrée par des exercices résolus (Ellipses 2017)
D. Baye, M. Dufour and B. Fuks, A Quantum Mechanics Primer with Solved Exercises: Theory and Solved Examples (Springer 2025)
M. Kumar, Quantum: Einstein, Bohr and the Great Debate About the Nature of Reality (Icon Books, 2009)
M. Kumar, Le grand roman de la physique quantique (Lattès, 2011)
F. S. Crawford Jr., Ondes, Berkeley: cours de physique, volume 3 (Armand Colin, 1972)
F. S. Crawford Jr., Waves, Berkeley Physics Course, volume 3 (McGraw-Hill, 1965)
E. H. Wichmann, Physique quantique, Berkeley: cours de physique, volume 4 (Armand Colin, 1974)
E. H. Wichmann, Quantum Physics, Berkeley Physics Course, volume 4 (McGraw-Hill, 1967)
F. Schwabl, Quantum Mechanics (Springer, 2009)
C. Cohen-Tannoudji, B. Diu et F. Laloë, Mécanique quantique I et II (Hermann, 1977)
B. H. Bransden and C. J. Joachain, Introduction to Quantum Mechanics (Longman, 1989)
F. Reif, Physique statistique, Berkeley: cours de physique, volume 5 (Armand Colin, 1972)
F. Reif, Statistical Physics, Berkeley Physics Course, volume 5 (McGraw-Hill, 1967)
B. Diu, C. Guthmann, D. Lederer et B. Roulet, Éléments de Physique Statistique (Hermann, 1997)
H. B. Callen, Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics (Wiley, 1985)
C. Kittel and H. Kroemer, Thermal Physics (W. H. Freeman, 1980)
P. Atkins, J. de Paula and J. Keeler, Atkins’ Physical Chemistry (Oxford University Press, 2022)
R. K. Pathria and P. D. Beale, Statistical Mechanics (Elsevier, 2021)

Support(s) de cours

Podcast
Syllabus
Université virtuelle

Contribution au profil d'enseignement

Les principales compétences développées par ce cours sont la maitrise et la mobilisation du corpus scientifique se rapportant à la description du monde microscopique (physique quantique) et du monde macroscopique en termes de constituants microscopiques (physique statistique et chimie physique). Sur base de ce corpus, l'étudiant·e est amené·e à élaborer un raisonnement scientifique structuré pour modéliser des situations schématiques, en tenant compte des ordres de grandeur et en dégageant les paramètres dominants, puis à résoudre les équations du modèle ainsi établi, analytiquement et/ou numériquement, en vue de permettre une comparaison avec une réalité expérimentale.

Ce cours engage par ailleurs l'étudiant·e dans une démarche réflexive sur l'édifice scientifique, la physique quantique étant une discipline jeune, encore inachevée par plusieurs aspects. En particulier, sont soulignées les différences entre les faits démontrés expérimentalement, les théorèmes démontrés mathématiquement, les postulats adoptés pour l'accord entre leurs prédictions et les résultats expérimentaux, et les croyances qui peuvent guider l'intuition en recherche mais qui nécessitent confrontation à l'expérience afin d'être validées.

Enfin, ce cours abordant les bases physiques et les ordres de grandeur de technologies à fort contenu éthique et de transition énergétique (laser, fusion et fission nucléaires...), il est l'occasion d'amener l'étudiant·e à se questionner sur ses propres valeurs et sur la manière de les articuler avec une carrière technique.

Autres renseignements

Contacts

jmspar@ulb.ac.be
Benoit.Haut@ulb.be

Campus

Solbosch

Evaluation

Méthode(s) d'évaluation

Examen écrit
Evaluation continue

Examen écrit

Question ouverte à réponse courte
Question ouverte à développement long
Question fermée à Choix Multiple (QCM)

Evaluation continue

Construction de la note (en ce compris, la pondération des notes partielles)

examen écrit janvier (QCM physique quantique): 1/7
évaluation continue (exercices physique statistique et chimie physique): 2/7
examen écrit final: 4/7

Une note strictement inférieure à 6/20 pour l'évaluation continue est absorbante et se solde par cette même note, strictement intérieure à 6/20, pour l'ensemble du cours.

Langue(s) d'évaluation

français

Recherche