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Dualité onde corpuscule

Dualité onde corpuscule

La lumière est-elle une onde ou un ensemble de particules ? As-tu la réponse à cette question qui a fasciné les physiciens durant des siècles ?

Dualité onde-corpuscule, cours : ce concept signifie que la lumière détient à la fois des propriétés des particules et des propriétés des ondes. Cela s'applique également aux particules telles que les électrons qui se comportent à la fois comme des ondes et comme des particules.

Ce point de vue fut proposé par Louis de Broglie (prononcé de Breuil) lorsqu'il exposa les résultats des expériences réalisées à l'occasion de sa thèse de doctorat. Les idées de de Broglie, qui lui valurent le prix Nobel, sont similaires à celles d'Albert Einstein, à savoir que la lumière, que l'on supposait alors être une onde, peut également être décrite comme une particule appelée 'photon' correspondant à un 'quantum' ou paquet d'énergie.

Dans ce qui vient, nous parlerons de la découverte fascinante de la double nature de la lumière, alors prépare-toi à être fasciné par l'une des triomphes de la physique moderne !

Dualité onde-corpuscule de la lumière

Qu'est-ce-que la dualité onde-corpuscule ?

Au début du XXᵉ siècle, on pensait que la lumière se propage comme une onde. En 1905, 20 ans avant que de Broglie ait montré que les électrons peuvent se comporter comme des ondes, Einstein publia ses travaux de recherche sur l'effet photoélectrique, établissant le fait que la lumière est composée d'un faisceau de particules dont l'énergie vaut la fréquence f fois la constante de Planck h. Ceci a révolutionné notre compréhension de la lumière, qui peut depuis lors être décrite comme une particule. Ce sont ces travaux qui ont valu à Einstein le prix Nobel, bien qu'il ait fait d'autres contributions majeures à la physique, comme la théorie de la relativité.

Dualité onde-corpuscule : histoire

L'interprétation de la lumière a en fait connu un certain nombre de renversements au cours de l'histoire de la physique. Au XVIIᵉ siècle, Huygens proposa une théorie ondulatoire de la lumière. Mais, compte tenu de travaux réalisés par Isaac Newton à la même époque, ce fut l'interprétation corpusculaire de la lumière qui prévalut jusqu'au début du XIXᵉ siècle, lorsque des expériences effectuées par Young et Fresnel rétablirent l'interprétation de la lumière comme un phénomène ondulatoire.

La théorie corpusculaire

La première théorie prédominante de la lumière fut donc une interprétation corpusculaire, selon laquelle la lumière est composée de petites particules qui se déplacent dans l'espace. En outre, cette théorie présumait l'existence d'un milieu appelé éther qui remplit l'univers et à travers lequel les particules étaient supposées se propager.

Toutefois, cette théorie corpusculaire de la lumière était incapable d'expliquer toutes les propriétés de la lumière, comme notamment le fait que la lumière ralentit et est déviée lorsqu'elle passe de l'air à l'eau. Un argument important contre la théorie corpusculaire était son incapacité à expliquer la diffraction de la lumière.

Dualité onde-corpuscule, diffraction à travers une fente, StudySmarterFigure 1. La théorie corpusculaire était incapable d'expliquer la diffraction de la lumière. En effet, si la lumière était composée de particules, lorsqu'elle traverse une petite fente, il ne devrait y avoir qu'un petit faisceau qui franchisse la fente. Mais, la lumière est diffractée, de façon analogue aux vagues de l'océan qui entrent dans une baie.

Les expériences de Thomas Young

Des expériences menées par le scientifique britannique Thomas Young ont permis d'apporter un nouveau regard sur la lumière. Ces expériences, pourtant simples, ont été très pertinentes. Young fit passer un rayon lumineux à travers deux fentes et il observa un comportement caractéristique des ondes.

Si la lumière était composée de particules, alors on pourrait imaginer que certaines de ces particules rebondissent sur les fentes et donc que les faisceaux s'élargissent en traversant les fentes. Mais la contribution des deux faisceaux issus de chacune des fentes devrait s'ajouter. On aurait ainsi de la lumière partout sur l'écran et surtout au niveau des fentes.

En revanche, si la lumière était une onde, soit les deux faisceaux devraient s'additionner l'un à l'autre lorsqu'ils sont en phase, c'est-à-dire lorsqu'ils sont synchronisés et que le maximum d'une onde correspond au maximum de l'autre, ou alors, ils devraient se compenser lorsqu'ils sont en opposition de phase et que le maximum d'un faisceau vient s'annuler avec le minimum de l'autre. Ainsi, sur l'écran, des régions fortement illuminées devraient s'alterner avec des régions sans lumière. C'est ce que l'on appelle des franges d'interférence et c'est ce que Young a observé, ce qui a confirmé que la lumière se comporte comme une onde.

Dualité onde-corpuscule, Diagramme de lumière montrant un motif d'interférence de lumière, StudySmarterFigure 2. L'expérience de Thomas Young a mis en évidence le caractère ondulatoire de la lumière grâce à l'observation de franges d'interférence. La lumière est séparée par des fentes en deux faisceaux qui se recombinent et interfèrent de manière constructive dans certaines régions (en rouge) et de manière destructive dans d'autres régions (en bleu). Ceci est analogue au comportement des vagues de l'océan où les sommets de deux vagues s'additionnent tandis que le sommet d'une vague s'annule avec le bas d'une autre vague.

La contribution d'Albert Einstein

Einstein a proposé que la lumière soit constituée de petites particules dont l'énergie dépend de la fréquence de la lumière qu'elles composent.

Il développa cette idée dans le cadre de ses travaux sur l'effet photoélectrique. Il s'agit du fait que, lorsque l'on éclaire un métal avec de la lumière, des électrons peuvent être émis par le métal. On s'attendait à ce que pour provoquer ce phénomène, il soit suffisant d'envoyer de la lumière assez intense. Mais ce n'est pas le cas. Les électrons sont émis seulement si la fréquence de la lumière est suffisante, et cela, quelle que soit l'intensité de la lumière.

Ainsi, Einstein suggéra que le quantum d'énergie, appelé photon, est absorbé par la plaque de métal et entraîne l'éjection des électrons.

Louis de Broglie et la dualité onde corpuscule

Ayant décrit comment les électrons se diffractent après avoir heurté un cristal, de Broglie proposa une théorie selon laquelle la lumière se comporte à la fois comme une onde et une particule. Il trouva que la diffraction des électrons engendre un motif d'interférence et proposa une formule liant la vitesse et la masse des particules à leur longueur d'onde.

Expériences de diffraction des électrons

Clinton Davisson, Paget Thomson et Lester Germer ont mené des expériences où ils ont projeté des électrons sur un cristal. Les électrons, au lieu d'entrer en collision avec le cristal, l'ont traversé, révélant un motif d'interférence suivant l'impact.

Ces expériences, menées par Davisson et d'autres, ont été la dernière confirmation que les électrons peuvent se comporter comme des ondes.

Dualité onde-corpuscule, diffraction d'électrons et franges d'interférence, StudySmarterFigure 3. Expérience de diffraction avec un faisceau d'électrons confirmant la dualité onde-corpuscule. Les particules traversent deux fentes et l'impact est enregistrée sur un écran. Les franges d'interférence détectées démontrent le fait que les électrons peuvent se comporter comme les ondes.

La relation entre les ondes et les particules

De Broglie a trouvé que si les électrons se comportent comme des ondes, alors les particules doivent avoir une longueur d'onde. Il relia cette longueur d'onde à l'impulsion ou quantité de mouvement des particules.

Énergie d'une onde et du photon

Dans le cas de la lumière, qui est une onde électromagnétique, le quantum d'énergie est inversement proportionnel à la longueur d'onde. Donc les petites longueurs d'onde contiennent davantage d'énergie. Dans les équations qui suivent, \( \lambda \) est la longueur d'onde du photon exprimée en mètre, \(\nu\) est la fréquence du photon exprimée en Hertz, tandis que \( h \) et \( c \) sont respectivement la constante de Planck et la vitesse de la lumière dans le vide prenant les valeurs : \[ h = 6,\!63 .10^{-34} \; m^2 . \! \, kg / s \] \[ c = 3 .\! 10^8 \; m / s \] \[ E_{photon} = \frac {h.\!c}{\lambda} \] \[ \fbox{ \( E_{photon} = h.\nu \) } \]

Énergie d'une particule

Einstein démontra une relation entre l'énergie d'une particule et sa masse 'm' exprimée en kilogrammes. E est l'énergie exprimée en Joules et c est la vitesse de la lumière dans le vide : \[ E_{particule} = m c^2 \] Cela signifie que la masse d'une particule au repos est équivalente à de l'énergie.

Longueur d'onde de de Broglie

La relation que de Broglie proposa donne une longueur d'onde pour un faisceau de particules qui est liée à la vitesse selon la relation : \[\fbox{\( \lambda = \frac{h}{mv} \)}\] C'est ce que l'on appelle la longueur d'onde de de Broglie d'une particule.

Calcul de la longueur d'onde d'un électron en mouvement

Un électron se déplace à 1% de la vitesse de la lumière et on souhaite calculer sa longueur d'onde. On connaît la vitesse de la lumière, la constante de Planck et la masse de l'électron, à savoir environ \( 9,\!1 .\! 10^{-31} kg \). On sait que : \[ \lambda = \frac{h}{mv} \] Or, \[ v = 0,\!01 \times 3.10^8 m/s \] En injectant les valeurs, on obtient : \[ \lambda = \frac{6,\!63 .\! 10^{-34} }{ 9,\! 1 . 10^{-31} \times 0,\!01 \times 3 .\! 10^8 } \] \[ \lambda = 2,\! 43 . \! 10^{-10} m \] Comme tu peux le voir, la longueur d'onde est très faible. Elle est inversement proportionnelle à la quantité de mouvement de l'électron.

Dualité onde-corpuscule - Points clés

  • Les particules et la lumière se comportent à la fois comme des ondes et comme des particules.
  • On peut associer une longueur d'onde aux particules appelée longueur d'onde de de Broglie.
  • Une expérience importante qui confirma la nature ondulatoire de la lumière est l'expérience des fentes d'Young.
  • Einstein introduisit l'idée que la lumière est composée de petits paquets d'énergie assimilables à des particules.
  • La dualité onde-corpuscule fut découverte expérimentalement par plusieurs scientifiques, mais c'est de Broglie qui introduisit le concept de longueur d'onde des particules.
  • La longueur d'onde d'une particule est inversement proportionnelle à sa quantité de mouvement.

Questions fréquemment posées en Dualité onde corpuscule

C'est une réalité observée dans les expériences de la physique. Lorsque l'on sépare et on recombine un faisceau lumineux, on peut obtenir des motifs d'interférences typiques des ondes. Mais, si l'on diminue suffisamment la puissance du faisceau, on peut distinguer que la lumière arrive grain par grain, et qu'elle est donc composée de particules appelés photons. Ainsi, la lumière est à la fois une onde et un faisceau de particules, ce qui est le cas également des électrons, des neutrons et autres particules.

C'est le fait que vue sous différents angles, la lumière se comporte soit comme une onde, soit comme une particule.

La lumière est composée de paquets d'énergie qui sont des particules appelées photons. Lorsque la lumière interagit avec la matière, un nombre entier de photons est absorbé. Mais en même temps, la lumière est une onde, car elle interfère avec elle-même et elle se diffracte.

On parle de dualité onde-corpuscule pour la lumière parce qu'elle se comporte à la fois comme une onde et comme une particule en fonction de la situation.

Une particule de lumière s'appelle un photon.

Évaluation finale de Dualité onde corpuscule

Question

Si la longueur d'onde de de Broglie est inversement proportionnelle à la quantité de mouvement, elle est également inversement proportionnelle à deux autres propriétés de la particule. Que sont-elles ?

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Réponse

La vitesse et la masse

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Question

Nommer le scientifique qui a mené l'expérience des deux fentes.

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Réponse

Thomas Young

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Question

Que dit le concept de dualité onde-corpuscule ?

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Réponse

Selon ce concept, la lumière et les particules subatomiques peuvent se comporter à la fois comme des ondes et des particules.

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Question

Qu'est-ce que la longueur d'onde de de Broglie ?

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Réponse

C'est la longueur d'onde associée aux particules.

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Question

Quelles expériences ont permis de découvrir la dualité onde-corpuscule pour les électrons ?

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Réponse

Les expériences de diffraction.

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Question

Quelle était la théorie corpusculaire ?

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Réponse

C'était la théorie selon laquelle la lumière est composée de petites particules se déplaçant dans l'espace.

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Question

Selon la théorie corpusculaire, la lumière se déplace dans quel milieu ?

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Réponse

L'ether

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Question

Nommer deux effets que la théorie corpusculaire ne permet pas d'expliquer.

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Réponse

La lumière réfractée et se propageant plus lentement dans l'eau.

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Question

Est-ce que les photons se comportent comme des particules ou comme des ondes ?

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Réponse

Les photons peuvent se comporter à la fois comme des particules et des ondes.

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Question

Quel phénomène a observé Thomas Young et lui a permis de réaliser que la lumière se comporte comme une onde ?

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Réponse

Les franges d'interférence.

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Question

Nommer trois scientifiques qui ont mené des expériences de diffraction.

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Réponse

Clinton Davisson, Paget Thomson et Lester Germer.

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Question

Lorsque des électrons heurtent un cristal, est-ce qu'ils se dispersent simplement ou est-ce qu'ils révèlent un motif de diffraction d'onde ?

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Réponse

Ils révèlent un motif de diffraction d'onde.

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Question

Que vaut la longueur d'onde d'un électron à 5% de la vitesse de la lumière ?

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Réponse

\( 1,\!21 \times 10^{-11} \) m

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Question

Que vaut la longueur d'onde d'un électron à 2% de la vitesse de la lumière ?

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Réponse

\( 4,\!84 \times 10^{-10} \) m

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Question

La longueur d'onde de de Broglie est inversement proportionnelle à quelle propriété ?

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Réponse

La quantité de mouvement

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Question

Qu'est-ce que l'effet photoélectrique ?

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Réponse

Il s'agit de l'émission d'électrons après l'impact d'une lumière à haute fréquence sur une plaque métallique.

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Question

Qui a été le premier à observer l'effet photoélectrique ?

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Réponse

Heinrich Hertz

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Question

Nomme deux scientifiques qui ont contribué à expliquer la théorie de l'effet photoélectrique.

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Réponse

Albert Einstein et Max Planck

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Question

Quel est le travail seuil ?

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Réponse

C'est l'énergie minimale nécessaire pour libérer un électron par un photon à haute fréquence.

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Question

Quelle lumière Hertz a-t-il utilisée dans ses expériences ?

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Réponse

Lumière UV

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Question

L'énergie de la lumière dépend-elle de la luminosité ?

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Réponse

Non, elle dépend de la fréquence de la lumière.

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Question

Quelle propriété de la lumière a permis d'éjecter les électrons plus facilement ?

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Réponse

La fréquence

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Question

L'énergie de la lumière dépend-elle de sa fréquence ?

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Réponse

Oui

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Question

L'énergie d'un photon est égale au produit d'une constante et d'une variable. Peux-tu les nommer ?

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Réponse

La constante de Planck et la fréquence de la lumière.

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Question

L'énergie du photon libérant l'électron est a deux utilités. Pour la première partie, le travail d'extraction, enlève l'électron du métal. Qu'arrive-t-il au reste de l'énergie ?

Montrer la réponse

Réponse

Elle sera communiquée à l'électron sous forme d'énergie cinétique.

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Question

Si la fréquence du photon augmente, qu'arrive-t-il aux photoélectrons émis par le matériau ?

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Réponse

Ils se déplacent plus rapidement.

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Question

Que se passe-t-il si l'énergie du photon est inférieure au travail seuil ?

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Réponse

Aucun photoélectron ne sera libéré.

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Question

Que se passe-t-il si tu fais briller une lumière d'une énergie inférieure à celle du travail d'extraction sur une plaque de cuivre et que tu augmentes ensuite la luminosité ?

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Réponse

Rien, car l'énergie ne dépend pas de l'intensité de la lumière.

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Question

Que se passe-t-il si tu fais briller une lumière d'une énergie inférieure à celle du travail seuil sur une plaque de cuivre, puis, que tu augmentes considérablement la fréquence ?

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Réponse

Certains électrons pourraient commencer à être éjectés.

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Question

Une augmentation de l'intensité d'un faisceau lumineux augmenterait…

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Réponse

Le nombre de photons

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Question

Un rayonnement électromagnétique frappe une plaque métallique de cuivre avec une énergie de \(9 eV\). Sachant que la longueur d'onde de seuil du Cuivre est de \(264 nm\), calcule la vitesse à laquelle l'électron sera éjecté de la plaque.

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Réponse

Tout d'abord, rappelons la relation d'Einstein qui est dérivée de la loi de la conservation de l'énergie. \[E_{photon}= \phi + \frac{1}{2}m.V^2\]


Nous savons que l'énergie du photon incident est : \[E_{photon}=9 eV= 9\times 1,6 \times 10^{-19} = 14,4 \times 10^{-19}J\]

De plus, nous savons que la longueur d'onde de seuil du Cuivre \(264 nm\). Calculons la fréquence de seuil : \[Fréquence = \frac{Vitesse}{Longueur \hspace{5px} d'onde}\] Nous avons déjà vu cette relation dans les articles sur les ondes. 

Nous traitons d'un rayonnement électromagnétique, donc la vitesse n'est autre que celle de la lumière \(C\)

Dans notre cas : \[\nu_s=\frac{C}{\lambda}\] \[\nu_s=\frac{3\times 10^8}{264\times 10^{-9}}\] \[\boxed{ \nu_s = 1,14 \times 10^{15} Hz}\]

Le travail d'extraction sera : \[\phi=h.\nu_s = 6,626\times 10^{-34}\times 1,14\times 10^{15}=7,53\times 10^{-19}J\]


Trouvons la vitesse d'éjection des électrons. D'après la relation d'Einstein, nous pouvons avoir :\[\frac{1}{2}m.V^2 = E_{photon} - \phi\] \[V=\sqrt{\frac{2}{m}(E_{photon}-\phi)}\] \[V=\sqrt{\frac{2}{9,1\times 10^{-31}}(14,4\times 10^{-19} - 7,53\times 10^{-19})}\] \[\boxed{V=1{,}22 \times 10^6 m/s}\]


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Question

Si le travail d'extraction de l'or est de 5,1 eV et qu'un photon de 7,0 eV le frappe, émettra-t-il un photoélectron ?

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Réponse

Oui, et son énergie cinétique sera égale à 1,9 eV.

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Question

Combien y'a-t-il de types différents d'ondes électromagnétique et quels sont-ils ?

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Réponse

On distingue couramment sept types d'ondes électromagnétiques : les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges, la lumière visible, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma. 

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Question

L'ensemble des ondes électromagnétiques s'appelle :

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Réponse

le spectre électromagnétique

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Question

Peut-on voir les rayons X ?

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Réponse

Non, on peut seulement voir une infime partie du spectre électromagnétique que l'on appelle la lumière visible.

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Question

Quel type d'onde électromagnétique rayonnée par le soleil créé des coups de Soleil ?

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Réponse

Les ultraviolets

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Question

Quel type d'onde électromagnétique est utilisé pour les télécommandes de la télévision ?

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Réponse

Les infrarouges

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Question

Donner une application des micro ondes.

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Réponse

Les micro ondes sont utilisées dans la télécommunication car elles traversent les nuages, la fumée et la pluie légère.

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Question

En quoi les ondes électromagnétiques sont-elles différentes des autres ondes ?

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Réponse

Les ondes électromagnétiques diffèrent des ondes mécaniques car elles ne nécessitent pas un milieu et peuvent se propager dans le vide.

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Question

Qu'est-ce que les ondes électromagnétiques transportent d'un endroit à un autre ?

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Réponse

Les ondes électromagnétiques, comme les autres ondes, transportent de l'énergie d'un endroit à un autre.

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Question

Est-ce que toutes les ondes électromagnétiques se propagent à la même vitesse ?

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Réponse

Oui, toutes les ondes électromagnétiques se propagent à la vitesse de \(3 \cdot 10^8 \, m/s \).

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Question

Comment peut-on calculer la vitesse d'une onde électromagnétique ?

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Réponse

vitesse \(=\) longueur d'onde \(\times\) fréquence

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Question

« Les composantes électriques et magnétiques d'une onde électromagnétiques sont perpendiculaires l'une à l'autre ». Cette affirmation est-elle correcte ?

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Réponse

Une onde électromagnétique est transverse, les champ électrique et magnétique oscillent perpendiculairement l'un à l'autre ainsi qu'à la direction de propagation.

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Question

Définir ce qu'est une onde électromagnétique.

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Réponse

Les ondes électromagnétiques sont formées lorsque des champs électrique et magnétique oscillent perpendiculairement. Ce sont des perturbations du champ électromagnétique.

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Question

Est-ce qu'un champ magnétique peut être créé par la présence d'un champ électrique ?

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Réponse

Un champ électrique changeant créé un champ magnétique de la même façon qu'un champ magnétique changeant créé un champ électrique.

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Question

« Les ultraviolets ont des fréquences plus élevées que les infrarouges ». Cette affirmation est-elle vraie ?

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Réponse

C'est vrai. Les ultraviolets ont une fréquence plus élevée et donc une énergie plus élevée que les infrarouges qui ont une plus grande longueur d'onde.

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Question

À quelle vitesse les ondes électromagnétiques se propagent-elles dans le vide ?

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Réponse

\( c = 3 \cdot 10^8 \, m/s \)

Montrer la question

Question

Les ondes électromagnétiques sont-elles transverses ou longitudinales ?

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Réponse

Les ondes électromagnétiques sont transverses.

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Question

Les ondes électromagnétiques sont composées de quels champ oscillant perpendiculairement l'un à l'autre ?

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Réponse

Des champs électriques et magnétiques.

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Question

En physique, la somme de deux ondes et l'interférence sont-elles la même chose ?

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Réponse

Oui, elles le sont.

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