Grain donde 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 dune réflexion de la lumière sur un miroir, langle dincidence = angle de réflexion Lorsque la lumière passe dun milieu à un autre, elle change de direction à linterface entre ces milieux

La lumière se propage en ligne droite mais....

Diffraction Si lon réduit la taille de louverture

Interférence Source lumineuse Fentes de Young

La théorie corpusculaire décrit des phénomènes lumineux comme la réflexion et la réfraction ne décrit pas la diffraction et les phénomènes dinterférence

Théorie ondulatoire (Huygens 1678, Fresnel 1819)

Théorie ondulatoire La lumière est une onde Les couleurs correspondent à différentes longueur donde

Rappels sur les ondes

Interférence

En un point donné de la surface de leau évolution au cours du temps de londe 1 et de londe 2 Somme des deux contributions Vous êtes ici

En un autre point de la surface de leau évolution au cours du temps de londe 1 et de londe 2 Somme des deux contributions Vous êtes ici

Plaque photographique Source lumineuse lumière + lumière = noir ! ! !

Nature des ondes lumineuses La lumière se propage dans le vide, cest la vibration de quoi? Nouveau milieu : léther 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 délectrons Détecteur de courant

Comment les électrons sont liés?

Émission d'électrons On allume la lumière +

Plus d'électrons Plus de lumière +

Pas démission d'électrons On change la couleur +

Toujours pas démission d'électrons On augmente lintensité +

Comment expliquer ces faits ? lénergie transportée par londe est proportionnelle à lamplitude pas à la longueur donde Incompatibilité avec la théorie ondulatoire

Interprétation dEinstein (1905)

Interprétation dEinstein (suite) Plus dintensité = plus de photons Énergie apportée par le photon rouge < à lénergie 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 plus ondulaire ou corpusculatoire ?

Théorie quantique (Schrödinger, Heisenberg, Bohr 1930, Feynman, Schwinger, Tomonaga 1949)

Théorie quantique de la lumière

Dispositif expérimental Plaque photographique Source lumineuse

Forte luminosité Franges dinterférence : la lumière se comporte comme une onde

Faible luminosité impacts localisés : la lumière se comporte comme une pluie de corpuscules

Comment se construit la figure dinterférence?

Dualité onde-corpuscule La lumière se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme une pluie de photons La probabilité dimpact est proportionnelle à lintensité lumineuse Objet fondamental : amplitude de probabilité pour chaque photon

Expérience modifiée Plaque photographique Source lumineuse

Impacts des photons qui sont passés par la fente 1 Impacts des photons qui sont passés par la fente 2

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

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 lamplitude de probabilité qui obéit aux lois de la physique ondulatoire Les prévisions sur le comportement dun 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 dénergie 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 l aser, protection des données par cryptographie quantique....

Pour en savoir plus.... Sites : Atomes froids : Optique : enseignement/tp/optique Conférence préparée par: L. Gallot J. Ph. Guillet M. Muelheitner E. Pilon E. Ragoucy R. Taillet