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Physique · 4 affiches · formule n° 27

La loi de Planck

La loi de Planck donne la lumière émise par un corps noir à chaque fréquence, selon sa température. Elle a introduit en physique la constante de Planck, point de départ de la mécanique quantique.

Voir les 4 affiches 3 contrôles par le calcul

La lumière émise par un corps noir à la température TT, selon la fréquence ν\nu (Planck, 1900). Dessin : les courbes de 3 000 K à 6 000 K et, en pointillé, le déplacement de leur sommet.

Quatre styles

Les affiches

La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.

Ce que dit la formule

Bν(T)=2hν3c21ehν/kBT−1B_\nu(T) = \frac{2h\nu^3}{c^2}\, \frac{1}{e^{h\nu / k_B T} - 1}

La formule s’applique à un corps noir : un objet idéal qui absorbe tout le rayonnement qu’il reçoit, en équilibre thermique à la température TT. Son rayonnement ne dépend alors que de cette température, pas de la matière dont il est fait. Un four percé d’un petit trou en est une bonne réalisation. Les corps réels (braises, filament, étoiles) émettent moins qu’un corps noir, et leur spectre s’en approche plus ou moins.

  • Bν(T)B_\nu(T) : la luminance spectrale : la puissance rayonnée par mètre carré de surface, par unité d’angle solide (le stéradian, sr) et par hertz de fréquence, en W·m⁻²·Hz⁻¹·sr⁻¹.
  • ν\nu (« nu ») : la fréquence du rayonnement, en hertz (Hz). La lumière visible va d’environ 400 à 790 THz.
  • TT : la température absolue, en kelvins (K).
  • hh : la constante de Planck, h=6,62607015×10−34h = 6{,}626\,070\,15 \times 10^{-34} J·s, valeur exacte.
  • kBk_B : la constante de Boltzmann, kB=1,380649×10−23k_B = 1{,}380\,649 \times 10^{-23} J/K, valeur exacte.
  • cc : la vitesse de la lumière dans le vide, c=299792458c = 299\,792\,458 m/s, valeur exacte.
  • ee : la base de l’exponentielle, le nombre e.

La constante de Planck. hh relie l’énergie d’un quantum de lumière (un photon) à sa fréquence : E=hνE = h\nu. On utilise aussi la constante réduite ℏ=h/2π≈1,054571817×10−34\hbar = h/2\pi \approx 1{,}054\,571\,817 \times 10^{-34} J·s. Depuis le 20 mai 2019, la valeur de hh est fixée exactement par le Système international, ainsi que kBk_B et cc (NIST (nouvel onglet)). C’est elle qui définit le kilogramme : son unité, le J·s, vaut kg·m²·s⁻¹ ; le mètre et la seconde étant déjà définis, fixer hh fixe le kilogramme (BIPM (nouvel onglet)). Cette décision a été prise par la 26e Conférence générale des poids et mesures, le 16 novembre 2018 ; elle remplace l’ancien cylindre étalon conservé près de Paris.

Un exemple

Prenons T=5772T = 5\,772 K, la température effective du Soleil (fiche NASA (nouvel onglet)), et une lumière orangée de fréquence ν=5×1014\nu = 5 \times 10^{14} Hz (longueur d’onde 600 nm).

  1. Énergie d’un photon : hν≈3,313×10−19h\nu \approx 3{,}313 \times 10^{-19} J.
  2. Énergie thermique : kBT≈7,969×10−20k_B T \approx 7{,}969 \times 10^{-20} J.
  3. Leur rapport : hν/kBT≈4,157h\nu / k_B T \approx 4{,}157, d’où ehν/kBT−1≈62,90e^{h\nu / k_B T} - 1 \approx 62{,}90.
  4. Premier facteur : 2hν3/c2≈1,843×10−62h\nu^3/c^2 \approx 1{,}843 \times 10^{-6}.
  5. Résultat : Bν≈1,843×10−6/62,90≈2,93×10−8B_\nu \approx 1{,}843 \times 10^{-6} / 62{,}90 \approx 2{,}93 \times 10^{-8} W·m⁻²·Hz⁻¹·sr⁻¹.

Deux conséquences. La loi de Wien situe le sommet de la courbe : en fréquence, νmax≈5,878925757×1010 Hz/K×T\nu_{\max} \approx 5{,}878\,925\,757 \times 10^{10}\ \mathrm{Hz/K} \times T, soit environ 339,3 THz pour le Soleil (proche infrarouge). En longueur d’onde, on utilise une autre version : λmaxT≈2,897771955×10−3\lambda_{\max}\, T \approx 2{,}897\,771\,955 \times 10^{-3} m·K, soit environ 502 nm (vert). Les deux sommets ne se correspondent pas, car la courbe change de forme quand on passe des fréquences aux longueurs d’onde. La loi de Stefan-Boltzmann donne la puissance totale émise par mètre carré : M=σT4M = \sigma T^4, avec σ≈5,670374419×10−8\sigma \approx 5{,}670\,374\,419 \times 10^{-8} W·m⁻²·K⁻⁴, soit environ 6,29×1076{,}29 \times 10^{7} W/m² à 5 772 K.

Pourquoi c’est vrai

Voici la dérivation moderne, qui n’est pas exactement le chemin suivi par Planck.

Dans une cavité, le rayonnement se décompose en ondes stationnaires, les « modes ». On admet un résultat classique : il y a 8πν2/c38\pi\nu^2/c^3 modes par unité de volume et par unité de fréquence. Reste à savoir quelle énergie moyenne porte chaque mode.

L’hypothèse décisive est que l’énergie d’un mode ne peut valoir que 0,hν,2hν,…0, h\nu, 2h\nu, \dots La probabilité de l’énergie nhνnh\nu est proportionnelle à e−nxe^{-n x} (loi de Boltzmann), avec x=hν/kBTx = h\nu/k_B T. Avec les sommes géométriques ∑e−nx=1/(1−e−x)\sum e^{-nx} = 1/(1 - e^{-x}) et ∑ne−nx=e−x/(1−e−x)2\sum n\, e^{-nx} = e^{-x}/(1 - e^{-x})^2, l’énergie moyenne vaut

⟨E⟩=hνe−x/(1−e−x)21/(1−e−x)=hνex−1.\langle E \rangle = h\nu\, \frac{e^{-x}/(1 - e^{-x})^2}{1/(1 - e^{-x})} = \frac{h\nu}{e^{x} - 1}.

En multipliant par le nombre de modes, puis par c/4πc/4\pi pour passer de l’énergie contenue dans la cavité au rayonnement sortant par unité d’angle solide, on obtient exactement la formule.

Aux basses fréquences, ex−1≈xe^x - 1 \approx x et la formule devient 2ν2kBT/c22\nu^2 k_B T/c^2 : c’est la loi classique de Rayleigh-Jeans, dont l’intégrale est infinie (la « catastrophe ultraviolette »). Le quantum hνh\nu coupe les hautes fréquences et rend tout fini : l’intégrale de BνB_\nu fait apparaître ∫0∞x3/(ex−1)dx=π4/15\int_0^\infty x^3/(e^x-1)\,\mathrm{d}x = \pi^4/15, d’où la loi de Stefan-Boltzmann. Annuler la dérivée donne l’équation 3(1−e−x)=x3(1 - e^{-x}) = x, dont la solution x≈2,821439x \approx 2{,}821\,439 fournit la loi de Wien.

Un peu d’histoire

Le rayonnement du corps noir était un problème ouvert depuis les travaux de Gustav Kirchhoff, vers 1860. Le 19 octobre 1900, Max Planck propose sa formule, qui s’accorde avec les mesures de Heinrich Rubens et Ferdinand Kurlbaum. Le 14 décembre 1900, devant la Société allemande de physique, il en présente une justification fondée sur des « éléments d’énergie » proportionnels à la fréquence : c’est la première apparition de la constante hh, qu’il appelle « quantum élémentaire d’action ».

Planck voyait d’abord cette quantification comme une hypothèse formelle, et non comme une propriété de la lumière elle-même (Wikipédia, Planck’s law (nouvel onglet)). C’est Albert Einstein qui, en 1905, propose que la lumière elle-même soit faite de quanta d’énergie hνh\nu. La constante de Planck est devenue la constante centrale de la mécanique quantique.

Ce que montre l’affiche

Le dessin trace la loi de Planck calculée pour sept températures, de 3 000 K à 6 000 K de 500 en 500, sur des fréquences allant de 0 à 1 000 THz. Chaque courbe est légèrement teintée en dessous. Plus le corps est chaud, plus la courbe est haute et plus son sommet se déplace vers les hautes fréquences ; la ligne en pointillé suit ce sommet, conformément à la loi de Wien. L’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

Vérifiée par le calcul

Les contrôles de cette formule

Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode

  • maximum : ν_max/T = 5,878 925 757 × 10¹⁰ Hz/K (loi de Wien)obtenu 58789200000, attendu 58789257570, écart 9.79e-7 (tolérance 0.00001)
  • ∫ B_ν dν = σT⁴/π (loi de Stefan-Boltzmann)obtenu 11280851.46054767, attendu 11280851.474571051, écart 1.24e-9 (tolérance 0.000001)
  • dimensions : B_ν en W·m⁻²·Hz⁻¹·sr⁻¹[0,1,-2,0,0] contre [0,1,-2,0,0] (m, kg, s, A, K)

Sources

Questions fréquentes

Quelle est la valeur de la constante de Planck ?

h = 6,626 070 15 × 10⁻³⁴ J·s, exactement. Depuis 2019, cette valeur est fixée par définition dans le Système international ; elle n’a donc plus d’incertitude.

Pourquoi la constante de Planck sert-elle à définir le kilogramme ?

Son unité, le joule-seconde, s’écrit kg·m²·s⁻¹. Le mètre et la seconde étant déjà définis par d’autres constantes, fixer la valeur de h revient à définir le kilogramme, sans dépendre d’un objet étalon.

Quelle est la différence entre h et ħ ?

ħ (« h barre ») est la constante de Planck réduite, égale à h divisé par 2π, soit environ 1,054 571 817 × 10⁻³⁴ J·s. Elle simplifie les formules de la mécanique quantique.

Qu’est-ce qu’un corps noir ?

C’est un objet idéal qui absorbe tout le rayonnement qu’il reçoit. À l’équilibre thermique, il émet un rayonnement qui ne dépend que de sa température, décrit par la loi de Planck.

Le Soleil est-il un corps noir ?

Approximativement. Son spectre ressemble à celui d’un corps noir à environ 5 772 K, sa température effective, mais il présente des raies d’absorption et des écarts dus à son atmosphère.