Grain d’onde ou les deux visages de la lumière

Introduction

Plan

I. Théorie corpusculaire de la lumière

II. Théorie ondulatoire

III. Effet photo-électrique

IV. Théorie quantique

Théorie corpusculaire de la lumière

(Newton 1675)

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

Réflexion, réfraction(lois de Snell Descartes)

Lors d’une réflexion dela lumière sur un miroir, l’angle d’incidence =angle de réflexion

Lorsque la lumière passed’un milieu à un autre, elle change de direction à l’interface entre ces milieux

La lumière se propage en ligne droite

mais ....

Diffraction

Si l’on réduit la taille de l’ouverture

Interférence

Sourcelumineuse

Fentes de Young

La théorie corpusculaire

● décrit des phénomènes lumineux comme la réflexion et la réfraction

● ne décrit pas la diffraction et les phénomènes d’interférence

Théorie ondulatoire(Huygens 1678, Fresnel 1819)

Théorie ondulatoire

● La lumière est une onde● Les couleurs correspondent à différentes

longueur d’onde

Rappels sur les ondes

Interférence

Interférence

En un point donné de la surface de l’eau

évolution au cours du temps de l’onde 1 et de l’onde 2

Somme des deux contributions

Vous êtes ici

En un autre point de la surface de l’eau

évolution au cours du temps de l’onde 1 et de l’onde 2

Somme des deux contributions

Vous êtes ici

Pla

qu

e p

hoto

gra

ph

iqu

eSourcelumineuse

lumière + lumière = noir ! ! !

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

La théorie ondulatoire décrit les phénomènes lumineux comme la

réflexion et la réfraction

Effet photo-électrique(Hertz 1887, Einstein 1905)

+

Effet photo-électrique

lampe

Bloc de métal césium

Collecteur d’électrons

Déte

cteu

r de co

ura

nt

Comment les électrons sont liés?

Émission d'électrons

On allume la lumière

+

Plus d'électrons

Plus de lumière

+

Pas d’émission d'électrons

On change la couleur

+

Toujours pas d’émission d'électrons

On augmente l’intensité

+

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

Interprétation d’Einstein (1905)

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

hauteur à franchir

Merci à

● Théorie ondulatoire

● Interférence● Diffraction● .....

● Théorie “corpusculaire”

● Effet photo-électrique

● Recul des atomes émettant de la lumière

● ....

Alors la lumière : ondulatoire ou corpusculaire ?

Je dirai même plusondulaire ou corpusculatoire ?

Théorie quantique(Schrödinger, Heisenberg,Bohr 1930,

Feynman, Schwinger,Tomonaga 1949)

Théorie quantique de la lumière

Dispositif expérimental

Pla

qu

e p

hoto

gra

ph

iqu

eSourcelumineuse

Forte luminosité

Franges d’interférence : la lumière se comporte commeune onde

Faible luminosité

impacts localisés : la lumière se comporte commeune pluie de corpuscules

Comment se construit la figure d’interférence?

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

Expérience modifiée

Pla

qu

e p

hoto

gra

ph

iqu

eSourcelumineuse

Impacts des photons qui sontpassés par la fente 1

Impacts des photons qui sontpassés par la fente 2

Si on somme les impacts des photons qui sont passés parles fentes 1 et 2, on trouve cette photo.

PF1_ P

F2≠P

F12

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

Ça marche aussi pour les particules de matière

Résumé

● Lumière : pluie de corpuscules

● Lumière : onde● Lumière : tantôt

onde tantôt pluie de grain d’énergie

● Lumière : dualité onde-corpuscule amplitude de probabilité

+

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 ....

Pour en savoir plus ....

guillet@lapp.in2p3.fr

Sites : http://lappweb.in2p3.fr/lapth-2005

Atomes froids : http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids

Optique : http://memberss.aol.com/Mluque5130 http://galileo.cyberscol.qc.ca/optique/tabmat.html http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/ enseignement/tp/optique

Conférence préparée par:L. GallotJ. Ph. GuilletM. MuelheitnerE. PilonE. RagoucyR. Taillet