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LES ÉQUATIONS DE PROPAGATION DE L’ONDE ASSOCIÉE A UN CORPUSCULE

1.

Crité rium pour le choix des é quations de propaga

-tion.

Mans le cas particulier du mouvement d'uncorpus

-cule en dehors de

tout

champ, nous avons pu établir une correspondanceentre les ondes et les corpuscules.Celle cor

-respondance se traduit de la façon suivante : à un corpus

-cule d'énergie \V et de quantité de mouvement p, nous devons associer une ondesepropageantdans ladirection du

(

direction du vecteur p

)

onde dont la fré

-—

r* Tout se

mouvement

quence estv

=

-

j -

et la longueur d'onde A

=

passe commesi l'espace vide possédait pour cette ondeasso

-W

IPI

Vn2

ciée un indice deréfraction a

=

v0désigne une

constante caract

éristique du corpuscule et reliée à sa

masse

Ï Ï ÏC~

ha vitesse du corpuscule

est égale à la vitesse de groupe correspondant à

cette

loi de dispersion.

D'autre part, nous avons vu poindre (chapitre I I I, para

-graphe -S) une connexion

entre

leprincipe de moindreaction et le principe de Fermât, et cette analogie

entre

l'ancienne Mécanique et l'optique géométrique sest, trouvée confirmée par le fait que le mouvement dun groupe d’ondes se tra -duit a l'approximation de loptique géométrique par des équations dont l'analogie avec celles de la théoriede Jacobi est frappante (chapitre IV).

1 v2

propre rn par la relation v0

70 ÉTUDE DE LA MÉCANIQUE ONDULATOIRE*

Nousallons donc cherc her des équations de propagation pour les ondes associées (ellesquà l'approximation de l'op -tique géométrique les rayons des ondes coïncident avec les trajectoires que (ancienne Dynamique prévoit pour le cor -puscule. Une remarque essentielle est la suivante : la lon -gueur A des ondes associées et leur période

sont proportionnelles a la constante h de Planck et seraient infiniment petites en même temps que cette grandeur. Or, quand longueur donde et période sont infiniment petites,

il résulte des raisonnements de la dernière leçon que Imp -lique géométrique devient entièrementvalable. Donc, quand il est légitime de considérer hcomme négligeable, la Méca -niqueancienne doit être tout à fait suffisante. Nous devons choisirnos équationsdepropagation de tellefaçon que, pour h tendant vers zéro, elles nous rendent les équations des anciennes Mécaniques; cest là un critérium pour le choix de ces équationsde propagation.

T

V

2.

Equation de propagation en Y absence de champ.

Prenons dabord le cas le plus simple du mouvement en dehors de tout champ. On est daccord pour admettre que léquation de propagation doit alors sécrire :

4ir2

mac

2

à2'!'

A& c2 dt2 h2 '1' (1)

Substituons en effet danscelte équation lexpression qui représente une onde plane monochromatique. Comme on a

cf-

'

ï

=

4TT2V2

'

I/J il vient :

alors

dt2

47T2V2 mV1

Irv

2

£& -h c2 q>

= o

2)

Puisque par définition me2

=

/iv0, on peut aussiécrire (2) sous la forme :

47T2V2

V

(3)

-

h c2 12 y?

=

0

ETUDE DE LA MECANIQUE ONDULATOIRE

Nousallons donc chercher des équations de propagation pour les ondes associées telles qu'à Vapproximation de l'op

-tique géométrique les rayons des ondes coïncident avec les trajectoires que lancienne Dynamique prévoit pour le cor -puscule. Une remarqueessentielle est la suivante : la lon

-gueur A dos ondes associées

et

leur période T

= —

sont proportionnelles a la

constante

h de Planck et seraient infiniment petites en même temps que

cette

grandeur

.

Or,

quand longueur d ’onde et période

sont

infiniment petites, il résulte des raisonnements de la dernière leçon (pie 1 op

-tique géométrique devient entièrement valable. Donc, quand il est légitime de considérer h comme négligeable, la Méca

-niqueancienne doit être tout à fait suffisante. Nous devons choisirnoséquations de propagation de tellefaçonque, pour h tendant vers zéro, elles nous rendent les équations des anciennes Mécaniques; c

est

là un critérium pour le choix

de ceséquations de propagation . 70

2.

Equation de propagation enl9absence de champ.

Prenons dabord le cas le plus simple du mouvement en dehors de

tout

champ. On est d’accord pour admettre que léquation de propagation doit alors sécrire :

4772m2c2 r

T

Ay> h

dt2 h2

C

-Subslitnous en effet dans celle équation l'expression qui représente une onde plane monochromatique. Comme on a

d'xlf

- 47TV

'

I

'

, il vient :

alors dt2

A H 4irvO O ri mfc4

c2

I

1

/iV M

' =

0 (2;

Puisque par définition me2

/iv0j on peut aussiécrire (2) sousla forme :

V2

47T2V2

(3>)

A

'

1

' -

h c3 v~

'

1

' =

0

7 1

ÉQUATIONS DE PROPAGATION

Cette équation se ramène à la forme (4) du clmpitre pré -cédent enposant :

V1

V

i O

: *

)

H

V2

Cestbienceque nousdevionsobtenir pour être enaccord avec nos résultats antérieurs rappelés ci-dessus.

EcrivonsFonde sinusoïdale simple sous la forme : 2

-

nv (.xr

-

1,- f h j 4

-

ys

'

1

'

(x,y,s,t)

=

a cos vt c (5)

2TT

a cos

r*

l y

9 . T

Cela revient à appeler ce que nous avions appelé dans lechapitre précédent. Désormais cestà 9 que jeréser

-verai le nom dephase. Nous voyons que lon a :

n (ax -J- fi y

-

h 73) 1

(6)

CP

=

/11'/ hv c

et parsuite :

2 - =

hv d y c (7)

/5 M

I

7d y

- =

P ~c n v àd y? 7 -c hv

Or, nousdevonsposer :

(8)

hv

=

W c A P

daprès les résultats précédemment rappelés. Donc :

à? d y d y d y

W

=

d t Pu

=

dy Pr

=

d z (9)

Ce sont là précisément les relations (pie doit satisfaire la fonction de Jacobi.

Nous sommes ainsi amenés à identifier la phase y avec la fonction de Jacobi.

72 ÉTUDE DE LA MÉCANIQUE ONDULATOIRE

Equationde propagation dansunchamp

constant

.

Prenonsle cas unpeu plus compliqué du champ constant; il correspond au cas des milieux réfringents permanents mais non homogènes. Le champ de force est caractérisé par une fonction potentielle F(x , y , z ). La loi de dispersion qu'il convient alors dadopter est la suivante, comme nousallons le montrer :

3.

F(x,y,z) v 2 vvo2

(1 0) n 1

hv V~

avec toujours m e2

retombe sur la loi de dispersion (4) valable pour le champ nul.

h v0. Naturellement pour F = 0, on

Léquation de propagation des ondes monochromatiques de fréquence v doit alors sécrire :

47T2V2

hv

\ I

2

V

(

l

'

1'

=

0 I l

c2 v2

D’après ce que nous savons déjà, loptique géométrique sera valable si la fonction F(x, y, z) varie assez lentement pour qu elle puisse être considérée comme sensiblement constante dans un domaine contenant un grand nombre de longueurs donde. On peut alors prendre comme solution .

(x,y . t)

=

acos v t (1 2)

lintégrale étant prise le long d une courbe normale à une famille dintégrales complètes (dépendant de deux para -mètres « et

P

) deléquation :

d\<l d&i \2 d<T>i v2 n2{x,y,z)

M

(

a

3)

ôx d y ÔZ ; C2

Dans un groupe d’ondes, la trajectoire dun point de con cordance de phase est définie par les équations :

d® c.i:» d p

=

C2

d u.

et le mouvement sur la trajectoire par dv

73

ÉQUATIONSDE PROPAGATION

Pour retrouver les lois des anciennes Dynamiques, il va noussuffire de supposer que la phase :

hv

r

c

J

nâl

=

hvt

h(h

=

c?

=

- hvt

doit être identifiéeavec la fonction deJacobi : SO, y, 2,t,W, a, ,Æ)

=

Wt

Wt Ceci nous conduit à poser :

ày dS

ât àt

d<p i

âx ôx

ô>

d'4> i

ày à y

à?

ôz ô z

Doù :

nhv hv h

P y

c A

Decette identification deSavec y et de S!avec? plusieurs théorèmes importants.

Ier THéORèME.

pertuiscoïncide avec le principe de Fermât.

En effet, on a :

J?

Le principe de moindre action de Mau

-f d

$

, = f rPrdX +

Pydy

f j p d z)

f

(ij'-rij

«y

h v(z d x H

-

p d y -f- y d z)

= — —

r J

f

H

mil

74 K Tl'DE DE LA MÉCANIQUE ONDULATOIRE

et la condition de Maupertuis 8Sj

=

0 coïncide avec la con

-dition de Fermai à

j

ndl

=

0. En dautres termes, les

rayons de Fonde associée sont identiques aux trajectoires possiblesdu corpuscule qui correspondentà une même inté -grale complètede léquation de Jacobi.

T THéORèME. Léquation de loptique géométrique coïn -cide avec celle de Jacobi.

En effet, celle-ci est, sous sa forme relativiste : dS

i i dS ^2 / dS

^

' àx /

'

à y )

F (x,y, z) 2 (19)

c2 àt

( § ï

l i r e2..2

Elle s'écrit ici :

1

( % ) '

-

<

\

'

2 1/ àdzS1

I y

h\

r

Cr2 hv

F

.

2

ày c2

ou :

(

'

^

àxi

)

2

+ (

'

A f

ày >

f ë )’

(20)

/iV F(a;, y,z)\* v

2 hV

c~ hv V “ C2

Si

Si dans (13)on remplace par - -cp

O. E. I).

, on trouve(20).

Les équations de latrajectoire et du mou -vement, daprès la théorie deJacobi, coïncident avec celles de la trajectoire et du mouvement des étatsde concordance de phase dans un groupe d'ondes. Ceci résulte immédia

-tement

de la relation <p

=

S.

4eTHéORèME.

La vitesse du corpuscule définie par l'an

-cienne Dynamique coïncide avec la vitesse du groupe des ondes associées.

3e THéORèME.

ÉQ U A T I O N S D E PROPAGATION

/0«

Pour le démontrer directement , partons de l'équation du mouvement daprès Jacobi :

dS

,

(21) dW

? Si dl est lélément de trajectoire franchi par le corpus -cule pendant le temps dt, nous avons :

d2S

,

dl

dt (22)

dWdl dS,

et puisque :

^

Ps la vitessedu corpusculeest :

dl à2S1

[

î dp

l

î (23)

v dt àWdl dW

Cette relation peut aussi sécrire :

- o

1 dp 1 d(nv) 1

(24)

dW d(hv) dv U

v c

C est ce qu'il fallait démontrer.

Daprès ce qui précède, la forme relativiste de léquation de propagation dans un champconstantest donnée par (11).

Dans lescasoù la M écanique de Newton est suffisante pouvons écrire :

nous

hv=me2-f-E

=

me2-f- j mv2-f-F( x, y, z)

E F

et les quotients

et -j

sont très petits devant 1 unité; on peut donc écrire sensiblement :

(25)

hv E

,

2

F \2 v'02 2F

V

1

i

m

\)

n hv v2 hv hv

I

2(E F) 2(E F)

V

\

hv me2

70 ÉTUDE DE LA MÉCANIQUE ONDULATOIRE

Telle est la loi de dispersion que Ton doit adopter h rapproximation de la Mécanique classique .

Le produit n2v2 peut sécrire au même degré dapproxi -2(E

ination

F) me2 et I on obtient pour léquation de pro -lr

pagation d'une onde monochromatique de fréquence me2 -f-E

dans le champ

constant

défini par une fonc -tion potentielle F(x

,

y

.

z), la forme non relativiste :

h

8TR2m

A

^

r 4

-

/r (E

F) M'

=

() 27)

Cest léquation aujourdhui classique de Schrodinger.

Equationde propagation dans les champs variables.

Nous venons de trouver la forme qui convient pour léquation de propagation desondesmonochromatiquesdans des champs constants. Cette forme, nous l'avons déjà dit. doit être considérée comme un aspect dégénéré d'une forme plus générale où la fréquencenapparaît paset qui convient non seulement au cas dune superposition dondes mono

-chromatiques, mais aussi au cas des champs variables avec le temps.

Lidée qui doit nous guider pour trouver cette équation générale, c'est quà lapproximation de loptique géomé -trique, eten particulier quand onsuppose hinfiniment petit, léquation de loptique géométrique doit se confondre avec léquationde

.

lacobi defaçon que la phase?puisse être iden -tifiée avec la fonction de Jacobi.

Léquation générale relativiste qui satisfait à cette condi -tion est la suivante :

4

.

1 âHr c2 ~â

F

4TTi

A'V àc2 i 2s

> .2

T7T 2,,2 F2(x,y, s,t)

'

1

'

nii O

-h2 c2

ÉQ U A T I O N S D E P R O P A G A T I O N

Pour F

=

0, on retombe bien sur l’équation (I ). Si F ne dépend que de x, y, set non de t, on peut prendre une solu -tion monochromatique de la forme :

%

y,z, t)

=

a(x

,

y, z) cos 2z[vt y

,

z)]

rri

I

(29)

f 2ni(vt <!>,)

et en Vécrivant sous la forme complexe

'

F

=

ae

nous obtenons :

chF à2\F

- 4TT2V2\F.

=

2Tî ÎV'& (30

àt àt2

Léquation (28) prend alors la forme dégénérée : 4tfV 87T2V 4TT2 22 F2

A'F-f- c2 x\r_ hc2 h2 nrc c2

'

!

' =

() (31)

qui est identique à( JJ ).

Considérons le cas général où F dépend aussi du temps (champ variable). Nous allons montrer que si la fonction

'

F

écrite sous la forme complexe satisfait àléquation(28), nous retrouvons pour ?léquation de Jacobi lorsque nous suppo sons h infiniment petit. 2717

En effet, en substituant ^F

=

ae h dans léquation (28)

et en annulant la partie réelle de lexpression obtenue, il vient :

1 à2a c2 ~&

ë

1 ( d<?

\

2

4TT2

\ i m

Aa h2 (32)

c2 àt

X1/3

8

-

2 àv 4

-

2 2.>2 F21

r

F

"

A

;

i;rc c2 a

=

().

/rc àt h2

Si hest supposé infiniment petit, lestermescontenant J

remportent

de beaucoup sur les autres, et, en supprimant un facteur commun, il reste :

h2

_

L (

ÉL

c2 ' df

V

( ô'

*

\2

' dx /

F

)

2

=

nrc22 (33

xya

et la fonction ? obéit bien à léquation relativiste de Jacobi

78 ÉTUDE DE LA MECANIQUE ONDULATOIRE

Léquation (33) peut être considérée connue étant léqua

-tion de loptique géométrique pour les ondes associées. Comme nous lavons vu , si y(x, y, s, t

,

u, /3, y) désigne une intégrale complète de cette équation (33) , les trois relations :

r

d s à y d y

(34)

c

=

C3

du. dy

définissent le mouvement des étatsde concordance de phase dans un groupe dondes et ces trois relations (34) ne sont autres (pie les équations du mouvement daprès Jacobi. Ici aussi et en toute généralité, le mouvement du corpuscule peut à l'approximation de loptique géométrique être assi -miléa celui dun groupedondes associées.

Un caractère très particulier de léquation (28), cest quelle contient un coefficient imaginaire et que la fonction d’ondes, pour y satisfaire,doit êtreécritesous la formecom

-plexe. Dans les équationsde la théorie classique des ondes, les coefficients sont réels et la fonction dondes réelle

'

1

' =

acos 2 «<]

>

doit satisfaire l'équation de propagation; la forme complexe de

^

est aussi solution et l'on fait générale

-ment lescalculs en seservant decette forme complexepour revenir à la partie réelle h la fin du calcul. Lemploi de la solution complexe apparaît alors comme un simple artifice mathé matique. Ici, il nen est plus de mê me : la fonction dondesréellenesatisfait pasà, léquation (28) et cest seule -ment la fonction complexe qui en est solution.

De

même que pourleschampsconstants nous avonspassé de léquation relativiste(1 1) h léquation non relativiste de Schrodinger (27), nouspouvonsdans lecas généralpasser de léquation relativiste(28) a uneforme non relativiste. Sou -venons-nous que dans la Dynamique relativiste, lénergie a pour expression :

me2

W y/l ~ F F (*

.

y

.

s

-

0

:

!5

me2 T

+

F

=

me24-E

ROTATIONS D E P R O P A G ATION 79 T étant l'énergie cinétique due au mouvement, F lénergie potentielle;E est lénergie telleque la définit laDynamique Newtonienne; elle est égale à lénergie relativiste diminuée de l'énergie interne me2 et ladynamique Newtonienneclas -sique est valable quand lerapport

poser ceci en Mécanique ondulatoire tion dondes sous la forme :

9-i

mc2l

E

7 est petit. Pour trans

-itonsécrirons la fonç

-aic

'

1

'

(x,?/,Z y t)

=

e h ylrr (x,y,z,t)

'

1

rr

est donc lexpression que l'on obtient en retranchant

77i c2

dans laphasede Fonde complexe leterme

en réduisant la fréquence de

(36)

t,

c

'est

-

à-dire

VV E

h a

V

Nous appellerons

'

I

'

r la fonction dondes réduite et

E la fréquence réduite. En substituant(36)dans(28), il vient :

I 4

-

i 2 à

*

r 4TTTT2

- mVtfr

h (37)

h me

ât2 ât

c~

\

hc

2 F

I

L ât

d

'

I

'

r 2

-

é è| 47T“

L

F2

22

=

0

a r c

C"

Le terme en F2

'Fr

esl àn

'

éVrgligeable devant celui en Fmc2

^

r;

de meme le termeen F ,

ât

2 à

^

r

est négligeable devant le terme L d'&r

. ; enfin le terme ât

2

est négligeable devant parce que

toutes

les dérivées de

'

T

'

r par rapport au temps sont petites devant me2. Il reste donc : en me

ât2 c2 le termeen me

ât

8/rTT2 m F r

=

4TT/imt âât'&r (38)

Lelle est l'équation non relativiste (*) à laquelle doit obéir

(!) L'équation do propagation non relativiste est du premier ordre en t alors que léquation relativiste est du second ordre en t. Cest là différence importante sur laquelle M. Dirac a attiré fortement lattention.

une

80 ÉT U D E DE L A MÉC A N I Q U E ONDULATOIRE

la fonction (Tondes réduite

.

Si le champ ne dépend pas du temps, nous pouvons poser :

'1Tri

[E(

(x,y,z)]

a (x,y,z) e

'

'

'

1

'

r (39)

et nous retombons aisément sur léquation (27) de Schro -dinger.

Très souvent on écrit Téquation (38) en supprimant l'in -dice r

.

mais il ne faut jamais oublier que c'est la fonction me2 d’ondes réduite dont la fréquence est

qui est solution de (38).

diminuée de h

Procé dé servant à trouver automatiquement l9équa -tion.

Nous pouvons retrouver l'équation non relativiste de propagation en employant un procédé en quelque sorte automatique qui a une grande importance quand on com -pare la théorie des matrices dHeisenberg avec la Mécanique ondulatoire. Voici en quoi consiste ce procédé. Nous savons que léquation de Jacobi dans la Dynamique de Newton est :

5

.

àq

, '

à$

Il

(

qr t ât

=

0 (40)

à$

OÙ H

(

qr t,

exprim ée en fonction des coordonnées (j, du temps L et des moments p, lorsquon remplace chaque moment p,par

Prenonsle premier membre de (40); remplaçons le svmbole* ï Tzi:

ô7qi

obtenons ainsi un opérateur. Appliquons cet opérateur à la fonction dondes

'

1'(réduite) et égalons a zéro; si les rpsont des coordonn ées Cartésiennes rectangulaires? on retrouve Téquation (38) de propagation.

En effet, en coordonn ées rectangulaires, nous avons :

J

désigne ce que devient lénergie 11

àq,

à>

àq,

AS par àq<

par le symbole ,

àt 1 * 2

-

i àt Nous

(I

T

=

1m(x'a+ y'2

+

z'2) (41)

E Q U A T I O N SD E P R O P A G A T I O N S I

Par suite :

2

^ 7

(P*2

+

Py Pz2)

Il 1 f- F (x, ?y,s,t\ (42)

et I on a pour léquation de Jacobi :

/

1

I

/ \2 I \2

2m

[

_' dx '

\

ày

) § ) ]

dSàt

=

( ) (43)

Lopérateur obtenu par la méthode indiquéeest : F ^

JL

2jri.

±

àt

h2 à2

æ

à1

(44) 8n2m àx1 ây- âz*

et

nous

parvenons à léquation de propagation : 8TT2 4rri à

'

'I

h àt

A'Ir

lr F

^

= (45)

m

qui coïncide bien avec (38)

.

On vérifierait aisément que le même procédé appliqué à des coordonnées non rectangu -laires donnerait une équation de propagation inexacte.

DE UROGLIE. CANIQUE ONDULATOIRE. C)

CHAPITRE VI

MÉCANIQUE CLASSIQUE ET MÉCANIQUE ONDULATOIRE

1.

Signification de Yamplitude a en Mécanique clas

-sique.

Les mécaniques anciennes correspondent, nous le savons bien maintenant, au cas o ù la propagation des ondes se fait suivant les lois de l’optique géométrique.

La fonction de phase ? peut alors être identifiée avec la fonction de Jacobi. Mais nous devons chercher quelle est alorsla signification que lon doit attribuer à l'amplitude a si lon veut provisoirement conserver l'idée classique des corpuscules bien localisés dans l espace.

Nous allons supposer que nous pouvons nous contenter des équations non relalivistes. Naturellement nos raison

-nements ne sappliqueront pas aux corpuscules en mouve

-ment très rapide, par eexmple aux corpuscules de lumière, et, quand nous nous occuperons des photons, nous devrons

reprendre nos démonstrations

.

Partons doncde léquation générale non relativiste : 4jri âÏÏ

J T m

8n'2m

Avp h2 F (x, y,z, {)'F ât (1) et substituons

-

y la forme : 2ni

ir9

^ =

a e (2)

a et ? étant deux fonctions réelles, le module et larguaient de la quantité complexe

'

h. Il vient alors en séparant le réel et limaginaire :

4772 2m *

-

Fa=

a

V

-

( * L )

!

-i ' âx '

877 8772 âz

Aa 4- h2 h2 h2 a

ô-t 3)

xya

4771

Y

àa à? 277i âx âx

477\ da

1 T

m ~dt

-

4)

h

xya

MÉCANIQUE CLASSIQUE ET MÉCANIQUE ONDULATOIRE 83

I

-Il ressort des considérations duchapitre IV

que, si loptique géométrique est valable, le terme A a est négligeable devant le terme:

o ù

<

[>

=

-47T2

y

( à?\2 h2

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