grain donde ou les deux visages de la lumière. introduction
TRANSCRIPT
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 ....
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