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1. Grain d’onde ou les deux visages de la lumière
2. Introduction La lumière a toujours fasciné les hommes. Elle a un coté mystérieux Dans l’antiquité et dans les religions actuelles, elle est associée au divin. La lumière est toujours un sujet d’actualité cf Le prix Nobel 2005.
Dans l’antiquité et au Moyen-Age, les hommes avaient découvert certaines propriétés de la lumière : elle se propageait en ligne droite par exemple. Les hommes savaient aussi concentrer la lumière avec des lentilles, la réfléchir avec des miroirs mais de quoi est elle faite? Quelle la nature de la lumière?
Cette conférence n’est pas une conférence sur l’optique, je ne parlerai pas de tous les phénomènes lumineux, mais j'essaierai de présenter l’évolution des idées sur la nature de la lumière.
La lumière a toujours fasciné les hommes. Elle a un coté mystérieux Dans l’antiquité et dans les religions actuelles, elle est associée au divin. La lumière est toujours un sujet d’actualité cf Le prix Nobel 2005.
Dans l’antiquité et au Moyen-Age, les hommes avaient découvert certaines propriétés de la lumière : elle se propageait en ligne droite par exemple. Les hommes savaient aussi concentrer la lumière avec des lentilles, la réfléchir avec des miroirs mais de quoi est elle faite? Quelle la nature de la lumière?
Cette conférence n’est pas une conférence sur l’optique, je ne parlerai pas de tous les phénomènes lumineux, mais j'essaierai de présenter l’évolution des idées sur la nature de la lumière.
3. Plan Théorie corpusculaire de la lumière
Théorie ondulatoire
Effet photo-électrique
Théorie quantique Voici le plan de la conférence. Dans une première partie j’expliquerai la première théorie de la lumière : la théorie corpusculaire. Puis comment et pourquoi les scientifiques ont changé leur point de vue et ont développé une théorie ondulatoire de la lumière. Dans une troisième partie, je présenterai l’effet photo-électrique qui a été une des expériences remettant en cause le caractère ondulatoire de la lumière. Puis dans une quatrième et dernière partie je discuterai de la théorie qui prévaut actuellement : la théorie quantique de la lumière.Voici le plan de la conférence. Dans une première partie j’expliquerai la première théorie de la lumière : la théorie corpusculaire. Puis comment et pourquoi les scientifiques ont changé leur point de vue et ont développé une théorie ondulatoire de la lumière. Dans une troisième partie, je présenterai l’effet photo-électrique qui a été une des expériences remettant en cause le caractère ondulatoire de la lumière. Puis dans une quatrième et dernière partie je discuterai de la théorie qui prévaut actuellement : la théorie quantique de la lumière.
4. Théorie corpusculaire de la lumière (Newton 1675) La première théorie de la lumière a été élaborée par Isaac Newton en 1675 Bien que les lois de l’optique étaient connues depuis longtemps (certaines depuis l’antiquité), c’était la première fois que l’on mettait en place un cadre pour décrire les phénomènes lumineux.La première théorie de la lumière a été élaborée par Isaac Newton en 1675 Bien que les lois de l’optique étaient connues depuis longtemps (certaines depuis l’antiquité), c’était la première fois que l’on mettait en place un cadre pour décrire les phénomènes lumineux.
5. Théorie corpusculaire de la lumière Théorie mécanique de la lumière
La lumière est faite de corpuscules (grains): différents types de corpuscules pour chaque couleur (arc-en-ciel)
La lumière se propage en ligne droite
La théorie corpusculaire décrit la réflexion et la réfraction de la lumière
C’est une théorie mécanique de la lumière. En effet pour Newton, la lumière était composée de corpuscules. Comme Newton avait montré que la lumière blanche était composée de plusieurs lumières de couleur définie, il fallait donc introduire différent types de corpuscules pour chaque couleur
Tout comme une balle se déplace en ligne droite si elle n’est soumise à aucune force, les corpuscules de lumière se propagent en ligne droite , la lumière se propage en ligne droite.
Cette théorie décrit les phénomènes lumineux comme la réflexion et la réfraction de la lumière (lorsqu’une partie d’un bâton est plongé dans l’eau, on a l’impression qu’il est cassé au niveau de la surface de l’eau).
C’est une théorie mécanique de la lumière. En effet pour Newton, la lumière était composée de corpuscules. Comme Newton avait montré que la lumière blanche était composée de plusieurs lumières de couleur définie, il fallait donc introduire différent types de corpuscules pour chaque couleur
Tout comme une balle se déplace en ligne droite si elle n’est soumise à aucune force, les corpuscules de lumière se propagent en ligne droite , la lumière se propage en ligne droite.
Cette théorie décrit les phénomènes lumineux comme la réflexion et la réfraction de la lumière (lorsqu’une partie d’un bâton est plongé dans l’eau, on a l’impression qu’il est cassé au niveau de la surface de l’eau).
6. Réflexion, réfraction (lois de Snell Descartes) Réflexion : un rayon lumineux arrive avec un angle d’incidence sur un miroir et repart avec un angle de réflexion égal. Analogie avec une balle élastique rebondissant sur un mur
Réfraction : lorsqu’un rayon lumineux arrive à l’interface entre deux milieux, il change de direction. Il y a une loi qui relie les angles à la différence de la vitesse de la lumière dans les deux milieux. Au niveau des corpuscules, pour qu’un corpuscule change de direction, il faut appliquer une force (analogie mécanique), il faut donc supposer que les corpuscules subissent une force perpendiculaire à la surface lorsqu’ils traversent l’interface entre deux milieux Réflexion : un rayon lumineux arrive avec un angle d’incidence sur un miroir et repart avec un angle de réflexion égal. Analogie avec une balle élastique rebondissant sur un mur
Réfraction : lorsqu’un rayon lumineux arrive à l’interface entre deux milieux, il change de direction. Il y a une loi qui relie les angles à la différence de la vitesse de la lumière dans les deux milieux. Au niveau des corpuscules, pour qu’un corpuscule change de direction, il faut appliquer une force (analogie mécanique), il faut donc supposer que les corpuscules subissent une force perpendiculaire à la surface lorsqu’ils traversent l’interface entre deux milieux
7. La lumière se propage en ligne droite
8. Pour une ouverture suffisamment grande, le contour de la tache qui apparaît sur l’écran du fond est nette, sa taille est à peu près égale à la taille de l’ouverture ( on peut se mettre dans des conditions expérimentale telles que ça soit vrai). Si l’on diminue la taille de l’ouverture, la taille de la tache se met à croître et son contour devient flou. Ceci n’est pas compatible avec la propagation en ligne droite des corpuscules de lumière. Il faudrait introduire un mécanisme qui dévirait les corpuscules de lumière. C’est un phénomène que l’on ne peut pas expliquer avec une théorie corpusculaire. Ce phénomène s’appelle la diffraction de la lumière.Pour une ouverture suffisamment grande, le contour de la tache qui apparaît sur l’écran du fond est nette, sa taille est à peu près égale à la taille de l’ouverture ( on peut se mettre dans des conditions expérimentale telles que ça soit vrai). Si l’on diminue la taille de l’ouverture, la taille de la tache se met à croître et son contour devient flou. Ceci n’est pas compatible avec la propagation en ligne droite des corpuscules de lumière. Il faudrait introduire un mécanisme qui dévirait les corpuscules de lumière. C’est un phénomène que l’on ne peut pas expliquer avec une théorie corpusculaire. Ce phénomène s’appelle la diffraction de la lumière.
9. Interférence Pour cela, définissons un nouveau dispositif expérimental. On a un premier écran percé de deux fentes, derrière un deuxième écran recouvert d’une plaque photographique. Une source lumineuse est placée devant l’écran percé de deux fentes.
On allume la lumière et on regarde le résultat sur la plaque photo. On voit une série de franges lumineuses et sombres sur l’écran. C’est un phénomène que l’on ne peut pas expliquer avec une théorie corpusculaire. En effet, dans cette théorie, on s’attendrait plutôt à avoir la superposition de deux taches Ce phénomène s’appelle interférence
Ce dispositif expérimental s’appelle fentes de Young. Notons que ce n’est pas une expérience que l’on peut facilement réaliser chez soi.Pour cela, définissons un nouveau dispositif expérimental. On a un premier écran percé de deux fentes, derrière un deuxième écran recouvert d’une plaque photographique. Une source lumineuse est placée devant l’écran percé de deux fentes.
On allume la lumière et on regarde le résultat sur la plaque photo. On voit une série de franges lumineuses et sombres sur l’écran. C’est un phénomène que l’on ne peut pas expliquer avec une théorie corpusculaire. En effet, dans cette théorie, on s’attendrait plutôt à avoir la superposition de deux taches Ce phénomène s’appelle interférence
Ce dispositif expérimental s’appelle fentes de Young. Notons que ce n’est pas une expérience que l’on peut facilement réaliser chez soi.
10. La théorie corpusculaire décrit des phénomènes lumineux comme la réflexion et la réfraction ne décrit pas la diffraction et les phénomènes d’interférence La théorie corpusculaire de la lumière n’explique pas des phénomènes comme la diffraction ou les interférences. Elle n’est donc pas satisfaisante en tant que théorie de la lumière.La théorie corpusculaire de la lumière n’explique pas des phénomènes comme la diffraction ou les interférences. Elle n’est donc pas satisfaisante en tant que théorie de la lumière.
11. Théorie ondulatoire (Huygens 1678, Fresnel 1819) Une autre théorie de la lumière est apparue peu après celle de Newton initiée principalement par Huygens, elle a atteint sa pleine maturité avec les travaux de FresnelUne autre théorie de la lumière est apparue peu après celle de Newton initiée principalement par Huygens, elle a atteint sa pleine maturité avec les travaux de Fresnel
12. Théorie ondulatoire La lumière est une onde
Les couleurs correspondent à différentes longueur d’onde Dans cette théorie, la lumière est une onde. La raison est que la diffraction et les interférences ne sont pas typiques des phénomènes lumineux. Ils s’observent aussi dans des phénomènes vibratoires comme les vagues. En fait, ils sont caractéristiques des phénomènes ondulatoires.
Par contre, nous n'avons pas besoin d’introduire différentes ondes pour les différentes lumières de couleur définie, une seule onde suffit, c’est la longueur d’onde qui diffère (voir plus loin).
Voici un exemple d’onde que l’on peut produire à la surface de l’eau. Un cône qui effectue un mouvement vertical fait vibrer la surface de l’eau.Dans cette théorie, la lumière est une onde. La raison est que la diffraction et les interférences ne sont pas typiques des phénomènes lumineux. Ils s’observent aussi dans des phénomènes vibratoires comme les vagues. En fait, ils sont caractéristiques des phénomènes ondulatoires.
Par contre, nous n'avons pas besoin d’introduire différentes ondes pour les différentes lumières de couleur définie, une seule onde suffit, c’est la longueur d’onde qui diffère (voir plus loin).
Voici un exemple d’onde que l’on peut produire à la surface de l’eau. Un cône qui effectue un mouvement vertical fait vibrer la surface de l’eau.
13. Rappels sur les ondes Avant de continuer, nous voudrions faire quelques rappels sur les ondes. Une photo est prise de la surface de l’eau. Sur cette photo, nous nous déplaçons en suivant la flèche rouge. Sur l’autre graphique, nous représentons la hauteur de la surface de l’eau au fur et à mesure de notre déplacement.
Une onde est caractérisée par deux quantités.
1) La longueur d’onde : la longueur entre deux crêtes successives.
2)L’amplitude : la “hauteur”de l’onde.
Si on pense à des vagues, la longueur d’onde est la distance entre deux vagues successives, elle est liée à la fréquence d’apparition des vagues. L’amplitude est la hauteur de la vague par rapport à la surface de l’eau.
Attention, l’onde ne correspond pas à un transport de matière mais à une vibration cohérente de cette matière. Dans le cas des vagues, les molécules d’eau montent et descendent avec les vagues mais ne se déplacent pas longitudinalement. Un objet qui flotte n’avance pas avec les vaguesAvant de continuer, nous voudrions faire quelques rappels sur les ondes. Une photo est prise de la surface de l’eau. Sur cette photo, nous nous déplaçons en suivant la flèche rouge. Sur l’autre graphique, nous représentons la hauteur de la surface de l’eau au fur et à mesure de notre déplacement.
Une onde est caractérisée par deux quantités.
1) La longueur d’onde : la longueur entre deux crêtes successives.
2)L’amplitude : la “hauteur”de l’onde.
Si on pense à des vagues, la longueur d’onde est la distance entre deux vagues successives, elle est liée à la fréquence d’apparition des vagues. L’amplitude est la hauteur de la vague par rapport à la surface de l’eau.
Attention, l’onde ne correspond pas à un transport de matière mais à une vibration cohérente de cette matière. Dans le cas des vagues, les molécules d’eau montent et descendent avec les vagues mais ne se déplacent pas longitudinalement. Un objet qui flotte n’avance pas avec les vagues
14. Interférence Pour provoquer un phénomène d’interférence, il faut au moins deux sources d’onde ayant de préférence les mêmes caractéristiques. Dans notre exemple, deux cônes effectuant le même mouvement vertical font vibrer la surface de l’eau, ce sont les deux sources d’onde cohérentes. Lorsque l’on se déplace sur la surface de l’eau, on rencontre des endroits avec des vagues ( ou des creux) deux fois plus hautes que les vagues (creux) générées par les sources; et puis aussi des endroits platsPour provoquer un phénomène d’interférence, il faut au moins deux sources d’onde ayant de préférence les mêmes caractéristiques. Dans notre exemple, deux cônes effectuant le même mouvement vertical font vibrer la surface de l’eau, ce sont les deux sources d’onde cohérentes. Lorsque l’on se déplace sur la surface de l’eau, on rencontre des endroits avec des vagues ( ou des creux) deux fois plus hautes que les vagues (creux) générées par les sources; et puis aussi des endroits plats
15. Interférence Si les sources se mettent à vibrer très vite, notre oeil n’est plus capable de suivre le mouvement de vibration et nous obtenons la nappe suivante.Si les sources se mettent à vibrer très vite, notre oeil n’est plus capable de suivre le mouvement de vibration et nous obtenons la nappe suivante.
16. On se place en un point de la surface de l’eau. En ce point, le niveau de l’eau monte et descend en fonction du temps dû à la contribution de l’onde 1 courbe rouge et de l’onde 2 courbe bleu. Il existe des points où à un même instant l’onde 1 et l’onde 2 présentent un maximum. La somme des deux contributions donnent une oscillation de la surface de l’eau qui présente des maximum deux fois plus haut que les oscillations maximum de l’onde 1 ou l’onde 2
Pour ces points là, on dit que les ondes 1 et 2 sont en phase
On se place en un point de la surface de l’eau. En ce point, le niveau de l’eau monte et descend en fonction du temps dû à la contribution de l’onde 1 courbe rouge et de l’onde 2 courbe bleu. Il existe des points où à un même instant l’onde 1 et l’onde 2 présentent un maximum. La somme des deux contributions donnent une oscillation de la surface de l’eau qui présente des maximum deux fois plus haut que les oscillations maximum de l’onde 1 ou l’onde 2
Pour ces points là, on dit que les ondes 1 et 2 sont en phase
17. Lorsqu’on se trouve dans un endroit tel que l’onde arrivant de la source 1 présente un maximum alors que l’onde arrivant de la source 2 présente un minimum, la somme des deux contributions est zéro (figure du haut).
La somme de deux ondes peut donner entre autre une onde avec une amplitude deux fois plus grande (onde en phase) , zéro (onde en déphasage) ou toute la gamme entre ces deux cas.
Une des application du fait que la somme de deux ondes peut donner 0 est le casque anti-bruit actif où une onde est générée par le casque pour annuler l’onde sonore dont on veut s’isolerLorsqu’on se trouve dans un endroit tel que l’onde arrivant de la source 1 présente un maximum alors que l’onde arrivant de la source 2 présente un minimum, la somme des deux contributions est zéro (figure du haut).
La somme de deux ondes peut donner entre autre une onde avec une amplitude deux fois plus grande (onde en phase) , zéro (onde en déphasage) ou toute la gamme entre ces deux cas.
Une des application du fait que la somme de deux ondes peut donner 0 est le casque anti-bruit actif où une onde est générée par le casque pour annuler l’onde sonore dont on veut s’isoler
18. Revenons à notre expérience d’interférence avec la lumière. Les franges lumineuses correspondent à des points où les deux ondes lumineuses arrivent en phase, l’intensité lumineuse est deux fois plus grande et les franges sombres correspondent à des endroits où les ondes lumineuses s'annulent (opposition de phase)Revenons à notre expérience d’interférence avec la lumière. Les franges lumineuses correspondent à des points où les deux ondes lumineuses arrivent en phase, l’intensité lumineuse est deux fois plus grande et les franges sombres correspondent à des endroits où les ondes lumineuses s'annulent (opposition de phase)
19. Nature des ondes lumineuses La lumière se propage dans le vide, c’est la vibration de quoi?
Nouveau milieu : l’éther
Ondes lumineuses : ondes électromagnétiques Nous avons vu des exemples d’onde comme les vagues ou le son ou la vibration d’une corde qui sont des vibrations de milieu matériel : l’eau, l’air ou la corde. La lumière se propage dans le vide, elle n’est donc pas la vibration d’un milieu matériel Alors c’est la vibration de quoi? C’est une question qui a tracassé les physicien du XIX siècle. Ils avaient créé un nouveau milieu au propriétés mécaniques étonnantes l’éther qui a été abandonné depuis. Puis vers la fin du XIX siècle, on a compris que la lumière faisait partie de la grande famille des ondes électromagnétiques avec les ondes radio, les micro-ondes, les rayons X, etc... Ce qui différencie toutes ces ondes, c’est la longueur d’ondeNous avons vu des exemples d’onde comme les vagues ou le son ou la vibration d’une corde qui sont des vibrations de milieu matériel : l’eau, l’air ou la corde. La lumière se propage dans le vide, elle n’est donc pas la vibration d’un milieu matériel Alors c’est la vibration de quoi? C’est une question qui a tracassé les physicien du XIX siècle. Ils avaient créé un nouveau milieu au propriétés mécaniques étonnantes l’éther qui a été abandonné depuis. Puis vers la fin du XIX siècle, on a compris que la lumière faisait partie de la grande famille des ondes électromagnétiques avec les ondes radio, les micro-ondes, les rayons X, etc... Ce qui différencie toutes ces ondes, c’est la longueur d’onde
20. Sans rentrer dans les détails, on peut se demander si la théorie ondulatoire qui décrit les phénomènes comme la diffraction et les interférences est capable de décrire la réflexion et la réfraction de la lumière. La réponse est oui. La théorie ondulatoire est capable de décrire tous les phénomènes lumineux qui était décrit par la théorie corpusculaire. Elle semble une bonne théorie de la lumière.Sans rentrer dans les détails, on peut se demander si la théorie ondulatoire qui décrit les phénomènes comme la diffraction et les interférences est capable de décrire la réflexion et la réfraction de la lumière. La réponse est oui. La théorie ondulatoire est capable de décrire tous les phénomènes lumineux qui était décrit par la théorie corpusculaire. Elle semble une bonne théorie de la lumière.
21. Effet photo-électrique (Hertz 1887, Einstein 1905) L’effet photo-électrique a été mis en évidence par Hertz en 1887, Einstein en a donné une interprétation en 1905.L’effet photo-électrique a été mis en évidence par Hertz en 1887, Einstein en a donné une interprétation en 1905.
22. Effet photo-électrique Pour cette expérience, nous avons besoin d’une source lumineuse, d’un bloc de métal (césium), d’un générateur de courant (pile), d’un détecteur de courant (ampèremètre) et d’un collecteur d’électrons (un appareillage qui me permettra de récupérer des électrons émis par le bloc, je ne donne pas plus de détail)
Dans l’état actuel, aucun courant n’est détectéPour cette expérience, nous avons besoin d’une source lumineuse, d’un bloc de métal (césium), d’un générateur de courant (pile), d’un détecteur de courant (ampèremètre) et d’un collecteur d’électrons (un appareillage qui me permettra de récupérer des électrons émis par le bloc, je ne donne pas plus de détail)
Dans l’état actuel, aucun courant n’est détecté
23. Comment les électrons sont liés? Avant de commencer l’expérience, je voudrais expliquer comment les électrons sont liés au bloc de matière. La matière est faite d’atomes, ces atomes sont composés d’un noyau et d’électrons. Mais les atomes sont liés entre eux pour former le bloc de métal, Globalement, tout se passe comme si les électrons du bloc de métal étaient au fond d’un puits. Pour les sortir de ce puits, il faut leur communiquer une certaine énergie. La hauteur du puits est proportionnelle à l’énergie qu’il faut fournir pour arracher les électrons. Cette énergie doit être apportée en une seule fois, elle n’est pas cumulable.Avant de commencer l’expérience, je voudrais expliquer comment les électrons sont liés au bloc de matière. La matière est faite d’atomes, ces atomes sont composés d’un noyau et d’électrons. Mais les atomes sont liés entre eux pour former le bloc de métal, Globalement, tout se passe comme si les électrons du bloc de métal étaient au fond d’un puits. Pour les sortir de ce puits, il faut leur communiquer une certaine énergie. La hauteur du puits est proportionnelle à l’énergie qu’il faut fournir pour arracher les électrons. Cette énergie doit être apportée en une seule fois, elle n’est pas cumulable.
24. On allume la lumière Si on allume la lumière (avec un choix particulier du type de lumière et du métal) un courant électrique apparaît dans le circuit : des électrons sont arrachés au métal par la lumière, récupérés par le collecteur et voyagent à travers les fils.
Ce type d’expérience peut être expliquée par une théorie ondulatoire l’onde transporte de l’énergie (pas de la matière) qui est proportionnelle à l’amplitude de l’onde. ça ne fait pas le même effet de recevoir une vague haute ou petite sur soi. Penser aussi aux télécommande avec les quelles vous pouvez modifier l’état d’un appareil à l’aide d’une ondeSi on allume la lumière (avec un choix particulier du type de lumière et du métal) un courant électrique apparaît dans le circuit : des électrons sont arrachés au métal par la lumière, récupérés par le collecteur et voyagent à travers les fils.
Ce type d’expérience peut être expliquée par une théorie ondulatoire l’onde transporte de l’énergie (pas de la matière) qui est proportionnelle à l’amplitude de l’onde. ça ne fait pas le même effet de recevoir une vague haute ou petite sur soi. Penser aussi aux télécommande avec les quelles vous pouvez modifier l’état d’un appareil à l’aide d’une onde
25. Plus de lumière Si on augmente l’intensité de la lumière (amplitude de l’onde) alors le courant détecté est plus important : plus d’électrons sont arrachés au bloc de métalSi on augmente l’intensité de la lumière (amplitude de l’onde) alors le courant détecté est plus important : plus d’électrons sont arrachés au bloc de métal
26. On change la couleur Maintenant changeons la couleur de la lumière (la longueur d’onde). Dans ce cas, il n’y a pas de courant détecté !!!Maintenant changeons la couleur de la lumière (la longueur d’onde). Dans ce cas, il n’y a pas de courant détecté !!!
27. On augmente l’intensité On a beau augmenter l’intensité de la lumière (amplitude) aucun courant n’est détectéOn a beau augmenter l’intensité de la lumière (amplitude) aucun courant n’est détecté
28. Comment expliquer ces faits ? l’énergie transportée par l’onde est proportionnelle à l’amplitude pas à la longueur d’onde
Incompatibilité avec la théorie ondulatoire Comment expliquer simplement ces faits dans le cadre d’une théorie ondulatoire de la lumière? Dans le cas d’une théorie ondulatoire, l’énergie qui arrive sur le bloc de métal est proportionnelle à l’amplitude de l’onde lumineuse, elle n’a rien à voir avec la longueur d’onde
Donc ces faits expérimentaux ne sont pas compatibles avec une théorie ondulatoire de la lumière.Comment expliquer simplement ces faits dans le cadre d’une théorie ondulatoire de la lumière? Dans le cas d’une théorie ondulatoire, l’énergie qui arrive sur le bloc de métal est proportionnelle à l’amplitude de l’onde lumineuse, elle n’a rien à voir avec la longueur d’onde
Donc ces faits expérimentaux ne sont pas compatibles avec une théorie ondulatoire de la lumière.
29. Interprétation d’Einstein (1905) Albert Einstein a donné une interprétation de ces faits expérimentaux. Pour cela, il a supposé que les échanges d’énergie entre la lumière et la matière se faisaient par échange de paquets (grains) d’énergie (photons). La lumière se comportent comme si elle était composée de grain d’énergie: les photons. Ces grains (photons) apportent une énergie qui est inversement proportionnelle à la longueur d’onde du rayonnement : plus la longueur d’onde est petite, plus l’énergie apportée par un grain est grandeAlbert Einstein a donné une interprétation de ces faits expérimentaux. Pour cela, il a supposé que les échanges d’énergie entre la lumière et la matière se faisaient par échange de paquets (grains) d’énergie (photons). La lumière se comportent comme si elle était composée de grain d’énergie: les photons. Ces grains (photons) apportent une énergie qui est inversement proportionnelle à la longueur d’onde du rayonnement : plus la longueur d’onde est petite, plus l’énergie apportée par un grain est grande
30. Interprétation d’Einstein (suite) Plus d’intensité = plus de photons
Énergie apportée par le photon rouge < à l’énergie de liaison des électrons aux atomes du bloc de métal Si on augmente l'intensité de la lumière, on augmente le nombre de photons, pas leur énergie
ce modèle de type corpusculaire permet de décrire les faits expérimentaux précédent. En effet, si l’énergie apportée par les photons rouges (grain d’énergie de la lumière rouge) est inférieur à l’énergie de liaison des électrons au bloc de métal alors aucun électrons ne sera arrachés, ceci quelque soit leur nombre ( l’intensité de la lumière)Si on augmente l'intensité de la lumière, on augmente le nombre de photons, pas leur énergie
ce modèle de type corpusculaire permet de décrire les faits expérimentaux précédent. En effet, si l’énergie apportée par les photons rouges (grain d’énergie de la lumière rouge) est inférieur à l’énergie de liaison des électrons au bloc de métal alors aucun électrons ne sera arrachés, ceci quelque soit leur nombre ( l’intensité de la lumière)
31. Nous voudrions illustrer cela avec une petite animation, les coccinelles représentent l’énergie apportée par les photons de la lumière rouge.Nous voudrions illustrer cela avec une petite animation, les coccinelles représentent l’énergie apportée par les photons de la lumière rouge.
41. Tandis que superdupont représente l’énergie apporté par les photons de la lumière bleue.Tandis que superdupont représente l’énergie apporté par les photons de la lumière bleue.
46. On ne peut pas arracher les électrons du bloc si l’on n’apporte pas la quantité d’énergie suffisante même si on l’apporte en plusieurs fois. Les coccinelles malgré qu’elles étaient trois n’ont pas été capables de sortir l’électron du puitsOn ne peut pas arracher les électrons du bloc si l’on n’apporte pas la quantité d’énergie suffisante même si on l’apporte en plusieurs fois. Les coccinelles malgré qu’elles étaient trois n’ont pas été capables de sortir l’électron du puits
47. Théorie ondulatoire
Interférence
Diffraction
..... Théorie “corpusculaire”
Effet photo-électrique
Recul des atomes émettant de la lumière
.... Je dirai même plus ondulaire ou corpusculatoire ? A ce point, nous avons deux théories concurrentes de la lumière :
1) une théorie ondulatoire qui explique les phénomènes comme interférence, diffraction ...
2) une théorie corpusculaire qui explique certains phénomènes comme : l’effet photo-électrique, (ionisation des molécules par le rayonnement UV), recul des atomes émettant de la lumière, ......
Nous nous trouvons dans une impasse......A ce point, nous avons deux théories concurrentes de la lumière :
1) une théorie ondulatoire qui explique les phénomènes comme interférence, diffraction ...
2) une théorie corpusculaire qui explique certains phénomènes comme : l’effet photo-électrique, (ionisation des molécules par le rayonnement UV), recul des atomes émettant de la lumière, ......
Nous nous trouvons dans une impasse......
48. Théorie quantique (Schrödinger, Heisenberg, Bohr 1930, Feynman, Schwinger, Tomonaga 1949) Tous les systèmes où une quantité varie de façon discrète relève de la physique quantique. C’est le cas pour la lumière, où nous avons vu que les échanges d’énergie entre la matière et la lumière s’effectuait par paquets.
Les lois de la physique quantique (des systèmes microscopiques) ont été dérivées entre les années 1925-1930. Pour avoir une théorie quantique cohérente de la lumière, il fallut attendre les années 1950Tous les systèmes où une quantité varie de façon discrète relève de la physique quantique. C’est le cas pour la lumière, où nous avons vu que les échanges d’énergie entre la matière et la lumière s’effectuait par paquets.
Les lois de la physique quantique (des systèmes microscopiques) ont été dérivées entre les années 1925-1930. Pour avoir une théorie quantique cohérente de la lumière, il fallut attendre les années 1950
49. Théorie quantique de la lumière Dans cette dernière partie, nous allons voir comment la physique quantique permet d’avoir une compréhension unifiée des phénomènes lumineux Dans cette partie, noua allons nous attacher au comportement de la lumière plutôt qu’à sa nature. En effet, on perçoit la lumière qu’au travers des interactions qu’elle a avec les différents récepteurs. La lumière se comporte tantôt comme une onde tantôt comme une pluie de corpuscules. Dans cette dernière partie, nous allons voir comment la physique quantique permet d’avoir une compréhension unifiée des phénomènes lumineux Dans cette partie, noua allons nous attacher au comportement de la lumière plutôt qu’à sa nature. En effet, on perçoit la lumière qu’au travers des interactions qu’elle a avec les différents récepteurs. La lumière se comporte tantôt comme une onde tantôt comme une pluie de corpuscules.
50. Dispositif expérimental Pour cela, revenons au dispositif expérimental décrit lors de la présentation des interférences. On a un premier écran percé de deux fentes F1 et F2, derrière un deuxième écran recouvert d’une plaque photographique. Ici, notre source lumineuse a une intensité réglable de façon très fine.
On allume la lumière et on regarde le résultat sur la plaque photoPour cela, revenons au dispositif expérimental décrit lors de la présentation des interférences. On a un premier écran percé de deux fentes F1 et F2, derrière un deuxième écran recouvert d’une plaque photographique. Ici, notre source lumineuse a une intensité réglable de façon très fine.
On allume la lumière et on regarde le résultat sur la plaque photo
51. Forte luminosité Si on règle la luminosité au maximum (forte), on a des franges d’interférence sur notre écran : la lumière se comporte ici comme une onde.
Si on règle la luminosité au maximum (forte), on a des franges d’interférence sur notre écran : la lumière se comporte ici comme une onde.
52. Faible luminosité Si on règle la luminosité au minimum ( faible), on voit des impacts localisés distribués de façon aléatoire (au hasard). La lumière, dans ce cas, se comporte comme une pluie de (grains) photon. Si on règle la luminosité au minimum ( faible), on voit des impacts localisés distribués de façon aléatoire (au hasard). La lumière, dans ce cas, se comporte comme une pluie de (grains) photon.
53. Comment se construit la figure d’interférence? Qu’est ce qui se passe entre la position maximum et minimum de la luminosité ?
La figure d’interférence est construite impact après impact. Elle n’est visible que s’il y a suffisamment d’impacts sur la plaque (un grand nombre de photons arrivés sur la plaque). Si au contraire, il y a peu de photons qui arrivent, on a l’impression que leur impact sont répartis au hasard. Ceci nous amène à introduire la probabilité de trouver un impact de photon à tel endroit de la plaque photographique. La probabilité de trouver un impact dans les zones lumineuses (zones rouges) est grande tandis que la probabilité de trouvé un photon dans les zones sombres est faible (voire nulle). Cette probabilité est proportionnelle à l’intensité lumineuse.
N.B. : probabilité d’avoir un impact en un endroit donné de la plaque = nombre d’impacts dans cet endroit / nombre total d’impacts. Qu’est ce qui se passe entre la position maximum et minimum de la luminosité ?
La figure d’interférence est construite impact après impact. Elle n’est visible que s’il y a suffisamment d’impacts sur la plaque (un grand nombre de photons arrivés sur la plaque). Si au contraire, il y a peu de photons qui arrivent, on a l’impression que leur impact sont répartis au hasard. Ceci nous amène à introduire la probabilité de trouver un impact de photon à tel endroit de la plaque photographique. La probabilité de trouver un impact dans les zones lumineuses (zones rouges) est grande tandis que la probabilité de trouvé un photon dans les zones sombres est faible (voire nulle). Cette probabilité est proportionnelle à l’intensité lumineuse.
N.B. : probabilité d’avoir un impact en un endroit donné de la plaque = nombre d’impacts dans cet endroit / nombre total d’impacts.
54. Dualité onde-corpuscule La lumière se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme une pluie de photons
La probabilité d’impact est proportionnelle à l’intensité lumineuse
Objet fondamental : amplitude de probabilité pour chaque photon Les caractères ondulatoire et corpusculaire de la lumière sont intrinsèquement liés.
La probabilité d’impacts est proportionnelle à l'intensité (à un endroit, + l’intensité est grande + les chances d’avoir un impact sont importantes)
On introduit un objet fondamental qui est l’amplitude de probabilité : cet objet nous permet de prédire (calculer), grâce aux lois de la physique quantique la probabilité qu’un photon fasse un impact à un endroit ( proportionnelle au carré de cette amplitude de probabilité à cet endroit). Comme l’interférence est typique des phénomènes ondulatoires, cette amplitude de probabilité obéit donc à des lois ondulatoires
iLes caractères ondulatoire et corpusculaire de la lumière sont intrinsèquement liés.
La probabilité d’impacts est proportionnelle à l'intensité (à un endroit, + l’intensité est grande + les chances d’avoir un impact sont importantes)
On introduit un objet fondamental qui est l’amplitude de probabilité : cet objet nous permet de prédire (calculer), grâce aux lois de la physique quantique la probabilité qu’un photon fasse un impact à un endroit ( proportionnelle au carré de cette amplitude de probabilité à cet endroit). Comme l’interférence est typique des phénomènes ondulatoires, cette amplitude de probabilité obéit donc à des lois ondulatoires
i
55. Expérience modifiée On va modifier notre expérience. Pour cela bouchons à tour de rôle une des deux fentes. Nous allons obtenir deux photos : une correspondant aux impacts des photons passant par la fente 1 (la fente 2 est bouchée), l’autre correspondant aux impacts des photons passant par la fente 2 (la 1 étant bouchée)On va modifier notre expérience. Pour cela bouchons à tour de rôle une des deux fentes. Nous allons obtenir deux photos : une correspondant aux impacts des photons passant par la fente 1 (la fente 2 est bouchée), l’autre correspondant aux impacts des photons passant par la fente 2 (la 1 étant bouchée)
56. Voici les deux photos : une avec les impacts des photons qui sont passés par la fente 1 et l’autre avec les impacts des photons qui sont passés par la fente 2.Voici les deux photos : une avec les impacts des photons qui sont passés par la fente 1 et l’autre avec les impacts des photons qui sont passés par la fente 2.
57. Si on ajoute les impacts provenant des photons qui sont passés par la fente 1 à ceux provenant des photons qui sont passés par la fente 2, nous obtenons la figure suivante. La distribution de probabilité est différente de celle que nous avions obtenue lorsque les deux fentes étaient ouvertes.
Si on note PF1 la distribution de probabilité lorsque la fente 1est ouverte et la fente 2 bouchée, PF2 la distribution de probabilité lorsque la fente 2 est ouverte et la fente 1 bouchée et PF12 la distribution de probabilité lorsque les fentes 1 et 2 sont ouvertes. Nous voyons donc que PF12 n’est pas égale à la somme de PF1 et PF2. C’est une relation clé de la physique quantique.Si on ajoute les impacts provenant des photons qui sont passés par la fente 1 à ceux provenant des photons qui sont passés par la fente 2, nous obtenons la figure suivante. La distribution de probabilité est différente de celle que nous avions obtenue lorsque les deux fentes étaient ouvertes.
Si on note PF1 la distribution de probabilité lorsque la fente 1est ouverte et la fente 2 bouchée, PF2 la distribution de probabilité lorsque la fente 2 est ouverte et la fente 1 bouchée et PF12 la distribution de probabilité lorsque les fentes 1 et 2 sont ouvertes. Nous voyons donc que PF12 n’est pas égale à la somme de PF1 et PF2. C’est une relation clé de la physique quantique.
58. Unification quantique des deux aspects de la lumière Les aspects corpusculaire et ondulatoire de la lumière sont inséparables ( dualité onde-corpuscule) : les informations sur un photon sont données par l’amplitude de probabilité qui obéit aux lois de la physique ondulatoire
Les prévisions sur le comportement d’un photon sont du type probabiliste Les comportements ondulatoire et corpusculaire sont inséparable. Ceci est réalisé dans la théorie quantique en introduisant un nouvel objet : l’amplitude de probabilité qui permet de calculer la probabilité qu’un photon se manifeste (dans notre cas la probabilité qu’un photon produise un impact à un endroit précis de la plaque photo). Cet objet obéit aux lois de la physique ondulatoire.
De ce fait, les prévisions sur le comportement d’un photon sont de type probabiliste
Les comportements ondulatoire et corpusculaire sont inséparable. Ceci est réalisé dans la théorie quantique en introduisant un nouvel objet : l’amplitude de probabilité qui permet de calculer la probabilité qu’un photon se manifeste (dans notre cas la probabilité qu’un photon produise un impact à un endroit précis de la plaque photo). Cet objet obéit aux lois de la physique ondulatoire.
De ce fait, les prévisions sur le comportement d’un photon sont de type probabiliste
59. Ça marche aussi pour les particules de matière Les particules qui composent la matière se comportent aussi soit comme des ondes soit comme des particules. Voici le résultat d’une expérience faite à l'université de Tokyo. Un nuage d’atomes froids tombe sur une grille percée de deux fentes et sont détectés sur l’écran du bas. A droite, l’image est le résultat de la détection, on reconnaît la même figure d’interférence que l’on avait obtenu avec les photons.
Un nuage d’atome froids veut dire un gaz d’atomes au repos. Un gaz est composé d’atomes (l’air), ces atomes sont animés d’un mouvement aléatoire, la température est directement reliée à la vitesse moyenne de ces atomesLes particules qui composent la matière se comportent aussi soit comme des ondes soit comme des particules. Voici le résultat d’une expérience faite à l'université de Tokyo. Un nuage d’atomes froids tombe sur une grille percée de deux fentes et sont détectés sur l’écran du bas. A droite, l’image est le résultat de la détection, on reconnaît la même figure d’interférence que l’on avait obtenu avec les photons.
Un nuage d’atome froids veut dire un gaz d’atomes au repos. Un gaz est composé d’atomes (l’air), ces atomes sont animés d’un mouvement aléatoire, la température est directement reliée à la vitesse moyenne de ces atomes
60. Résumé Lumière : pluie de corpuscules
Lumière : onde
Lumière : tantôt onde tantôt pluie de grain d’énergie
Lumière : dualité onde-corpuscule amplitude de probabilité Dans la première théorie de la lumière, la lumière était composée de corpuscules. Cette théorie décrit les phénomènes lumineux comme la réfraction et la réflexion de la lumière. Mais elle ne décrit pas la diffraction et les interférences.
Pour pouvoir décrire ces phénomènes on est amené à faire une autre théorie dans laquelle la lumière est une onde. Cette théorie décrit la diffraction et les interférences, elle décrit aussi les phénomènes décrits par la théorie corpusculaire : réflexion et réfraction. Mais cette théorie ne décrit pas les phénomènes où les échanges d’énergie entre lumière et matière se font via des paquets d’énergie (photons)
On arrive à un point où les phénomènes lumineux se classe en deux catégories : ceux décrits par une théorie ondulatoire interférence et ceux où il est nécessaire de supposer un échange d’énergie via des paquets.
Pour sortir de cette impasse, on renonce à interpréter les phénomènes lumineux en terme d’onde ou de grains (corpuscules). Le comportement ondulatoire et corpusculaire de la lumière sont intrinsèquement liés. L’objet important n’est pas l’onde ou le photon, c’est l’amplitude de probabilité qui obéit à des lois ondulatoires (elle peut interférer). Elle permet de prédire la probabilité qu’un photon se manifeste (fasse un impact sur la plaque photo). C’est la théorie quantique des la lumière, celle qui prévaut encore actuellement (on n’a pas trouver de nouveau phénomènes lumineux qui nous ferait remettre en cause cette théorie Ce comportement ondulatoire et corpusculaire s’applique aussi aux particules de matière (atomes, électrons, etc...)
Dans la première théorie de la lumière, la lumière était composée de corpuscules. Cette théorie décrit les phénomènes lumineux comme la réfraction et la réflexion de la lumière. Mais elle ne décrit pas la diffraction et les interférences.
Pour pouvoir décrire ces phénomènes on est amené à faire une autre théorie dans laquelle la lumière est une onde. Cette théorie décrit la diffraction et les interférences, elle décrit aussi les phénomènes décrits par la théorie corpusculaire : réflexion et réfraction. Mais cette théorie ne décrit pas les phénomènes où les échanges d’énergie entre lumière et matière se font via des paquets d’énergie (photons)
On arrive à un point où les phénomènes lumineux se classe en deux catégories : ceux décrits par une théorie ondulatoire interférence et ceux où il est nécessaire de supposer un échange d’énergie via des paquets.
Pour sortir de cette impasse, on renonce à interpréter les phénomènes lumineux en terme d’onde ou de grains (corpuscules). Le comportement ondulatoire et corpusculaire de la lumière sont intrinsèquement liés. L’objet important n’est pas l’onde ou le photon, c’est l’amplitude de probabilité qui obéit à des lois ondulatoires (elle peut interférer). Elle permet de prédire la probabilité qu’un photon se manifeste (fasse un impact sur la plaque photo). C’est la théorie quantique des la lumière, celle qui prévaut encore actuellement (on n’a pas trouver de nouveau phénomènes lumineux qui nous ferait remettre en cause cette théorie Ce comportement ondulatoire et corpusculaire s’applique aussi aux particules de matière (atomes, électrons, etc...)
61. Conclusion Le monde quantique est excessivement riche, il est toujours en développement
Importance de la recherche fondamentale une compréhension profonde des lois de la physique permet un développement de la technologie laser, protection des données par cryptographie quantique .... En conclusion de cet exposé, nous avons à peine ouvert la porte du monde quantique. L’histoire ne s’est pas arrêté en 1949, il y a eu (et il y a encore) des nouveau développement dans la compréhension au niveau microscopique des phénomènes lumineux (cf Prix Nobel 2005). Pour expliquer tout cela ça nécessiterait une nouvelle conférence
J’aimerai attirer votre attention aussi sur l’importance de la recherche fondamentale. Il peut sembler que les scientifiques s’attachent à des problèmes académiques (interférence) mais une compréhension profonde des lois de la physique permet des développements technologiques qui à leur tour permettront une analyse plus fine des phénomènes physiquesEn conclusion de cet exposé, nous avons à peine ouvert la porte du monde quantique. L’histoire ne s’est pas arrêté en 1949, il y a eu (et il y a encore) des nouveau développement dans la compréhension au niveau microscopique des phénomènes lumineux (cf Prix Nobel 2005). Pour expliquer tout cela ça nécessiterait une nouvelle conférence
J’aimerai attirer votre attention aussi sur l’importance de la recherche fondamentale. Il peut sembler que les scientifiques s’attachent à des problèmes académiques (interférence) mais une compréhension profonde des lois de la physique permet des développements technologiques qui à leur tour permettront une analyse plus fine des phénomènes physiques
62. Pour en savoir plus ....
