Cristaux: un lien entre la macrophysique et la microphysique

La mécanique quantique (MQ), la théorie qui décrit le comportement de la matière à des échelles de distance microscopiques apparemment insondables pour nos sens, est très difficile à comprendre et à comprendre. Et en effet, à ce jour, 100 ans après sa première formulation, il y a des débats intenses parmi les théoriciens sur la signification et l’interprétation mêmes de la fonction d’onde, qui est la description mathématique d’un système quantique. Cependant, nous comptons profondément sur la gestion de la qualité pour découvrir l’organisation de la matière aux niveaux moléculaire, atomique et subatomique. Cela fonctionne, malgré les questions ouvertes. Et aujourd’hui, nous faisons profondément confiance à QM pour notre technologie.
Parmi les choses qui rendent la mécanique quantique un peu plus digeste, pour un étudiant abordant le sujet, se trouve un principe énoncé pour la première fois par Niels Borh, qui fut l’inventeur d’un modèle simplifié d’atomes qui est devenu l’une des clés pour découvrir les secrets des la physique. . C’est ce qu’on appelle le «principe de correspondance».

Dans le modèle de l’atome de Bohr, les électrons ont un moment cinétique sur leurs orbites autour du noyau qui ne peut être que des multiples d’un “nombre quantique” entier n. À partir de cette propriété proposée, une série de propriétés observables des atomes peuvent être prédites et vérifiées par des expériences. Un pour tous: son émission de lumière de fréquences distinctives lorsque les électrons sautent entre des orbites caractérisées par différentes valeurs de n.

Le principe de correspondance consiste à exiger que la description de la physique quantique et la description macroscopique d’un système coïncident, lorsque la valeur de n devient arbitrairement grande. N devient ainsi le scénario entre microphysique et macrophysique. Le fait que nous ayons besoin de * très * grandes valeurs de n pour observer l’action du principe de correspondance est dû à la petitesse de la constante de Planck h, qui détermine finalement le «taux de change» entre la monnaie des deux royaumes.

Le principe de correspondance permet de traiter les deux régimes différents sans solution de continuité. Et cela nous permet également de trouver des systèmes dont le comportement macroscopique est une conséquence directe de leur structure microscopique, ce qui est un excellent moyen de donner un sens à la gestion de la qualité et de mieux comprendre notre monde physique. Cependant, dans ce post, je ne souhaite pas discuter en détail de ces cas et de la physique impliquée dans la correspondance. Au lieu de cela, je tiens à mentionner que le meilleur exemple que je connaisse des effets macrophysiques de la QM est la structure des cristaux.

Considérez un cristal de diamant. Les diamants sont constitués d’atomes de carbone, disposés dans un réseau cubique régulier. La structure de l’arrangement régulier des atomes de carbone au niveau microscopique se reflète directement dans la forme macroscopique des cristaux de diamant. Ce petit fait est, pour moi, exaltant dans ses conséquences: si vous avez la chance de posséder un cristal de diamant, vous pouvez passer votre doigt sur une surface qui est définie par les propriétés électriques des liaisons des atomes de carbone et des arêtes. ils ont exactement le même effet. même angle qui apparaît dans les configurations élémentaires de quatre atomes à la fois.

Ci-dessus, un petit cristal de diamant (0,5 carat) que j’ai acheté chez un détaillant il y a quelques mois. Si bien no es perfecta y ciertamente no tiene calidad de gema, esta pequeña piedra capturó mi imaginación porque, a diferencia de muchos de los diamantes en bruto que puedes encontrar a la venta, es bastante regular en su estructura, traicionando sus propiedades QM, de Fait.

Mais vous n’avez pas besoin de casser votre tirelire pour ressentir la sensation que j’ai décrite ci-dessus: notre monde est riche d’une multitude de minéraux différents qui produisent des cristaux d’une riche variété de formes, de couleurs, de propriétés optiques et de propriétés physiques. Et tout cela peut être compris comme étant dû à leur disposition microscopique des atomes de certains éléments différents.

Je suis fasciné par les minéraux depuis mon enfance et j’ai commencé une collection à l’âge de sept ans, en partie grâce à un flot de petites acquisitions qui provenaient d’une amie géologue de ma mère, Giulia Giudice, sur une longue période. Plus tard, j’ai continué à acheter des pierres et des cristaux chaque fois que j’en avais l’occasion, et j’ai également extrait des spécimens des mines à quelques reprises. À présent, la collection s’est agrandie pour inclure plus de 450 échantillons, et j’apprécie toujours cette sensation fascinante de voir et de toucher la structure microscopique de la matière, chaque fois que je les prends ou que je les admire.

En tant que physicien, j’ai appris que les cristaux ont une foule de propriétés que nous pouvons détecter, tester et mesurer. En voici quelques-uns:

• forme: le système cristallin sous lequel la substance peut être cataloguée, ce qui est également évident dans l’apparence de l’échantillon
• dureté, qui peut être différente selon différents axes
• fracture: comment le verre se brise lorsqu’il ne se fragmente pas le long de sa ligne de division
• fente: la plupart des cristaux ont des plans le long desquels ils peuvent facilement être divisés en parties
• strie: la couleur de poudre de la substance lorsqu’elle est pulvérisée en la glissant contre une surface plus dure
• couleur (parfois plusieurs couleurs coexistent dans un seul cristal)
• transparence
• irisation et opalescence
• birifrangence et autres propriétés optiques
• Propriétés magnétiques
• radioactivité
• piézoélectricité (certains cristaux se chargent électriquement lorsqu’ils sont comprimés)
• fluorescence (présentant différents cristaux différemment à différentes fréquences de lumière)
• poids spécifique
• hygroscopique (certaines substances absorbent l’humidité)
• dégradation avec exposition à la lumière (changement de couleur permanent, etc.)
• inclusions (certains cristaux contiennent de l’eau ou d’autres substances)

Je suis sûr que la liste ci-dessus vous surprendra si vous n’avez jamais prêté attention au monde des minéraux, et je peux vous assurer que ce qui précède n’est qu’une liste partielle.

Alors, que puis-je dire d’autre pour vous inviter à accorder plus d’attention au monde des pierres et des pierres précieuses? Peut-être pourrais-je vous montrer certaines de mes dernières acquisitions, avec un minimum de commentaires. À ce stade, mon intérêt lors de l’achat d’un nouveau minéral est d’obtenir quelque chose qui me séduit par sa valeur esthétique, plus que toute autre chose. La clarté de la structure cristalline est certainement un critère, tout comme l’association de différents minéraux dans une combinaison agréable. Voici quelques exemples.

Ci-dessus, un classique: un cristal aigue-marine sur muscovite du Pakistan. Je l’ai acheté à Bangkok il y a deux ans. L’échantillon mesure 5 par 4 pouces.

Ci-dessus, un groupe assez important (6 par 4 pouces) de cristaux de barytine jaune. J’aime cet échantillon à cause de la belle couleur jaune transparente de certains cristaux. Je l’ai acheté à une foire aux minéraux. Il vient de Sardaigne, en Italie.

Ci-dessus, un autre minéral bien connu: la pyrite. La pyrite est un sulfure de fer et est assez courante; cependant, ce type de cristaux parfaitement formés et agréablement disposés provient d’un endroit précis (Navajun, Espagne). L’échantillon ci-dessus mesure 5 par 4 pouces.

Ci-dessus, une topaze de miel très bien cristallisée sur quartz fumé et albite (3 par 2 pouces). Cet échantillon provient du Pakistan.

Enfin, je conclus ci-dessus avec un autre de mes favoris: le grenat almandin sur schiste mica. Cet échantillon vient de Suisse et mesure 6 par 4 pouces. Il a des cristaux magnifiquement formés des deux côtés (un seul côté visible ici).