Download
1 / 61
E N D
1. Grain donde ou les deux visages de la lumire
2. Introduction La lumire a toujours fascin les hommes. Elle a un cot mystrieux Dans lantiquit et dans les religions actuelles, elle est associe au divin. La lumire est toujours un sujet dactualit cf Le prix Nobel 2005.
Dans lantiquit et au Moyen-Age, les hommes avaient dcouvert certaines proprits de la lumire : elle se propageait en ligne droite par exemple. Les hommes savaient aussi concentrer la lumire avec des lentilles, la rflchir avec des miroirs mais de quoi est elle faite? Quelle la nature de la lumire?
Cette confrence nest pas une confrence sur loptique, je ne parlerai pas de tous les phnomnes lumineux, mais j'essaierai de prsenter lvolution des ides sur la nature de la lumire.
La lumire a toujours fascin les hommes. Elle a un cot mystrieux Dans lantiquit et dans les religions actuelles, elle est associe au divin. La lumire est toujours un sujet dactualit cf Le prix Nobel 2005.
Dans lantiquit et au Moyen-Age, les hommes avaient dcouvert certaines proprits de la lumire : elle se propageait en ligne droite par exemple. Les hommes savaient aussi concentrer la lumire avec des lentilles, la rflchir avec des miroirs mais de quoi est elle faite? Quelle la nature de la lumire?
Cette confrence nest pas une confrence sur loptique, je ne parlerai pas de tous les phnomnes lumineux, mais j'essaierai de prsenter lvolution des ides sur la nature de la lumire.
3. Plan Thorie corpusculaire de la lumire
Thorie ondulatoire
Effet photo-lectrique
Thorie quantique Voici le plan de la confrence. Dans une premire partie jexpliquerai la premire thorie de la lumire : la thorie corpusculaire. Puis comment et pourquoi les scientifiques ont chang leur point de vue et ont dvelopp une thorie ondulatoire de la lumire. Dans une troisime partie, je prsenterai leffet photo-lectrique qui a t une des expriences remettant en cause le caractre ondulatoire de la lumire. Puis dans une quatrime et dernire partie je discuterai de la thorie qui prvaut actuellement : la thorie quantique de la lumire.Voici le plan de la confrence. Dans une premire partie jexpliquerai la premire thorie de la lumire : la thorie corpusculaire. Puis comment et pourquoi les scientifiques ont chang leur point de vue et ont dvelopp une thorie ondulatoire de la lumire. Dans une troisime partie, je prsenterai leffet photo-lectrique qui a t une des expriences remettant en cause le caractre ondulatoire de la lumire. Puis dans une quatrime et dernire partie je discuterai de la thorie qui prvaut actuellement : la thorie quantique de la lumire.
4. Thorie corpusculaire de la lumire (Newton 1675) La premire thorie de la lumire a t labore par Isaac Newton en 1675 Bien que les lois de loptique taient connues depuis longtemps (certaines depuis lantiquit), ctait la premire fois que lon mettait en place un cadre pour dcrire les phnomnes lumineux.La premire thorie de la lumire a t labore par Isaac Newton en 1675 Bien que les lois de loptique taient connues depuis longtemps (certaines depuis lantiquit), ctait la premire fois que lon mettait en place un cadre pour dcrire les phnomnes lumineux.
5. Thorie corpusculaire de la lumire Thorie mcanique de la lumire
La lumire est faite de corpuscules (grains): diffrents types de corpuscules pour chaque couleur (arc-en-ciel)
La lumire se propage en ligne droite
La thorie corpusculaire dcrit la rflexion et la rfraction de la lumire
Cest une thorie mcanique de la lumire. En effet pour Newton, la lumire tait compose de corpuscules. Comme Newton avait montr que la lumire blanche tait compose de plusieurs lumires de couleur dfinie, il fallait donc introduire diffrent types de corpuscules pour chaque couleur
Tout comme une balle se dplace en ligne droite si elle nest soumise aucune force, les corpuscules de lumire se propagent en ligne droite , la lumire se propage en ligne droite.
Cette thorie dcrit les phnomnes lumineux comme la rflexion et la rfraction de la lumire (lorsquune partie dun bton est plong dans leau, on a limpression quil est cass au niveau de la surface de leau).
Cest une thorie mcanique de la lumire. En effet pour Newton, la lumire tait compose de corpuscules. Comme Newton avait montr que la lumire blanche tait compose de plusieurs lumires de couleur dfinie, il fallait donc introduire diffrent types de corpuscules pour chaque couleur
Tout comme une balle se dplace en ligne droite si elle nest soumise aucune force, les corpuscules de lumire se propagent en ligne droite , la lumire se propage en ligne droite.
Cette thorie dcrit les phnomnes lumineux comme la rflexion et la rfraction de la lumire (lorsquune partie dun bton est plong dans leau, on a limpression quil est cass au niveau de la surface de leau).
6. Rflexion, rfraction (lois de Snell Descartes) Rflexion : un rayon lumineux arrive avec un angle dincidence sur un miroir et repart avec un angle de rflexion gal. Analogie avec une balle lastique rebondissant sur un mur
Rfraction : lorsquun rayon lumineux arrive linterface entre deux milieux, il change de direction. Il y a une loi qui relie les angles la diffrence de la vitesse de la lumire dans les deux milieux. Au niveau des corpuscules, pour quun corpuscule change de direction, il faut appliquer une force (analogie mcanique), il faut donc supposer que les corpuscules subissent une force perpendiculaire la surface lorsquils traversent linterface entre deux milieux Rflexion : un rayon lumineux arrive avec un angle dincidence sur un miroir et repart avec un angle de rflexion gal. Analogie avec une balle lastique rebondissant sur un mur
Rfraction : lorsquun rayon lumineux arrive linterface entre deux milieux, il change de direction. Il y a une loi qui relie les angles la diffrence de la vitesse de la lumire dans les deux milieux. Au niveau des corpuscules, pour quun corpuscule change de direction, il faut appliquer une force (analogie mcanique), il faut donc supposer que les corpuscules subissent une force perpendiculaire la surface lorsquils traversent linterface entre deux milieux
7. La lumire se propage en ligne droite
8. Pour une ouverture suffisamment grande, le contour de la tache qui apparat sur lcran du fond est nette, sa taille est peu prs gale la taille de louverture ( on peut se mettre dans des conditions exprimentale telles que a soit vrai). Si lon diminue la taille de louverture, la taille de la tache se met crotre et son contour devient flou. Ceci nest pas compatible avec la propagation en ligne droite des corpuscules de lumire. Il faudrait introduire un mcanisme qui dvirait les corpuscules de lumire. Cest un phnomne que lon ne peut pas expliquer avec une thorie corpusculaire. Ce phnomne sappelle la diffraction de la lumire.Pour une ouverture suffisamment grande, le contour de la tache qui apparat sur lcran du fond est nette, sa taille est peu prs gale la taille de louverture ( on peut se mettre dans des conditions exprimentale telles que a soit vrai). Si lon diminue la taille de louverture, la taille de la tache se met crotre et son contour devient flou. Ceci nest pas compatible avec la propagation en ligne droite des corpuscules de lumire. Il faudrait introduire un mcanisme qui dvirait les corpuscules de lumire. Cest un phnomne que lon ne peut pas expliquer avec une thorie corpusculaire. Ce phnomne sappelle la diffraction de la lumire.
9. Interfrence Pour cela, dfinissons un nouveau dispositif exprimental. On a un premier cran perc de deux fentes, derrire un deuxime cran recouvert dune plaque photographique. Une source lumineuse est place devant lcran perc de deux fentes.
On allume la lumire et on regarde le rsultat sur la plaque photo. On voit une srie de franges lumineuses et sombres sur lcran. Cest un phnomne que lon ne peut pas expliquer avec une thorie corpusculaire. En effet, dans cette thorie, on sattendrait plutt avoir la superposition de deux taches Ce phnomne sappelle interfrence
Ce dispositif exprimental sappelle fentes de Young. Notons que ce nest pas une exprience que lon peut facilement raliser chez soi.Pour cela, dfinissons un nouveau dispositif exprimental. On a un premier cran perc de deux fentes, derrire un deuxime cran recouvert dune plaque photographique. Une source lumineuse est place devant lcran perc de deux fentes.
On allume la lumire et on regarde le rsultat sur la plaque photo. On voit une srie de franges lumineuses et sombres sur lcran. Cest un phnomne que lon ne peut pas expliquer avec une thorie corpusculaire. En effet, dans cette thorie, on sattendrait plutt avoir la superposition de deux taches Ce phnomne sappelle interfrence
Ce dispositif exprimental sappelle fentes de Young. Notons que ce nest pas une exprience que lon peut facilement raliser chez soi.
10. La thorie corpusculaire dcrit des phnomnes lumineux comme la rflexion et la rfraction ne dcrit pas la diffraction et les phnomnes dinterfrence La thorie corpusculaire de la lumire nexplique pas des phnomnes comme la diffraction ou les interfrences. Elle nest donc pas satisfaisante en tant que thorie de la lumire.La thorie corpusculaire de la lumire nexplique pas des phnomnes comme la diffraction ou les interfrences. Elle nest donc pas satisfaisante en tant que thorie de la lumire.
11. Thorie ondulatoire (Huygens 1678, Fresnel 1819) Une autre thorie de la lumire est apparue peu aprs celle de Newton initie principalement par Huygens, elle a atteint sa pleine maturit avec les travaux de FresnelUne autre thorie de la lumire est apparue peu aprs celle de Newton initie principalement par Huygens, elle a atteint sa pleine maturit avec les travaux de Fresnel
12. Thorie ondulatoire La lumire est une onde
Les couleurs correspondent diffrentes longueur donde Dans cette thorie, la lumire est une onde. La raison est que la diffraction et les interfrences ne sont pas typiques des phnomnes lumineux. Ils sobservent aussi dans des phnomnes vibratoires comme les vagues. En fait, ils sont caractristiques des phnomnes ondulatoires.
Par contre, nous n'avons pas besoin dintroduire diffrentes ondes pour les diffrentes lumires de couleur dfinie, une seule onde suffit, cest la longueur donde qui diffre (voir plus loin).
Voici un exemple donde que lon peut produire la surface de leau. Un cne qui effectue un mouvement vertical fait vibrer la surface de leau.Dans cette thorie, la lumire est une onde. La raison est que la diffraction et les interfrences ne sont pas typiques des phnomnes lumineux. Ils sobservent aussi dans des phnomnes vibratoires comme les vagues. En fait, ils sont caractristiques des phnomnes ondulatoires.
Par contre, nous n'avons pas besoin dintroduire diffrentes ondes pour les diffrentes lumires de couleur dfinie, une seule onde suffit, cest la longueur donde qui diffre (voir plus loin).
Voici un exemple donde que lon peut produire la surface de leau. Un cne qui effectue un mouvement vertical fait vibrer la surface de leau.
13. Rappels sur les ondes Avant de continuer, nous voudrions faire quelques rappels sur les ondes. Une photo est prise de la surface de leau. Sur cette photo, nous nous dplaons en suivant la flche rouge. Sur lautre graphique, nous reprsentons la hauteur de la surface de leau au fur et mesure de notre dplacement.
Une onde est caractrise par deux quantits.
1) La longueur donde : la longueur entre deux crtes successives.
2)Lamplitude : la hauteurde londe.
Si on pense des vagues, la longueur donde est la distance entre deux vagues successives, elle est lie la frquence dapparition des vagues. Lamplitude est la hauteur de la vague par rapport la surface de leau.
Attention, londe ne correspond pas un transport de matire mais une vibration cohrente de cette matire. Dans le cas des vagues, les molcules deau montent et descendent avec les vagues mais ne se dplacent pas longitudinalement. Un objet qui flotte navance pas avec les vaguesAvant de continuer, nous voudrions faire quelques rappels sur les ondes. Une photo est prise de la surface de leau. Sur cette photo, nous nous dplaons en suivant la flche rouge. Sur lautre graphique, nous reprsentons la hauteur de la surface de leau au fur et mesure de notre dplacement.
Une onde est caractrise par deux quantits.
1) La longueur donde : la longueur entre deux crtes successives.
2)Lamplitude : la hauteurde londe.
Si on pense des vagues, la longueur donde est la distance entre deux vagues successives, elle est lie la frquence dapparition des vagues. Lamplitude est la hauteur de la vague par rapport la surface de leau.
Attention, londe ne correspond pas un transport de matire mais une vibration cohrente de cette matire. Dans le cas des vagues, les molcules deau montent et descendent avec les vagues mais ne se dplacent pas longitudinalement. Un objet qui flotte navance pas avec les vagues
14. Interfrence Pour provoquer un phnomne dinterfrence, il faut au moins deux sources donde ayant de prfrence les mmes caractristiques. Dans notre exemple, deux cnes effectuant le mme mouvement vertical font vibrer la surface de leau, ce sont les deux sources donde cohrentes. Lorsque lon se dplace sur la surface de leau, on rencontre des endroits avec des vagues ( ou des creux) deux fois plus hautes que les vagues (creux) gnres par les sources; et puis aussi des endroits platsPour provoquer un phnomne dinterfrence, il faut au moins deux sources donde ayant de prfrence les mmes caractristiques. Dans notre exemple, deux cnes effectuant le mme mouvement vertical font vibrer la surface de leau, ce sont les deux sources donde cohrentes. Lorsque lon se dplace sur la surface de leau, on rencontre des endroits avec des vagues ( ou des creux) deux fois plus hautes que les vagues (creux) gnres par les sources; et puis aussi des endroits plats
15. Interfrence Si les sources se mettent vibrer trs vite, notre oeil nest plus capable de suivre le mouvement de vibration et nous obtenons la nappe suivante.Si les sources se mettent vibrer trs vite, notre oeil nest 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 leau. En ce point, le niveau de leau monte et descend en fonction du temps d la contribution de londe 1 courbe rouge et de londe 2 courbe bleu. Il existe des points o un mme instant londe 1 et londe 2 prsentent un maximum. La somme des deux contributions donnent une oscillation de la surface de leau qui prsente des maximum deux fois plus haut que les oscillations maximum de londe 1 ou londe 2
Pour ces points l, on dit que les ondes 1 et 2 sont en phase
On se place en un point de la surface de leau. En ce point, le niveau de leau monte et descend en fonction du temps d la contribution de londe 1 courbe rouge et de londe 2 courbe bleu. Il existe des points o un mme instant londe 1 et londe 2 prsentent un maximum. La somme des deux contributions donnent une oscillation de la surface de leau qui prsente des maximum deux fois plus haut que les oscillations maximum de londe 1 ou londe 2
Pour ces points l, on dit que les ondes 1 et 2 sont en phase
17. Lorsquon se trouve dans un endroit tel que londe arrivant de la source 1 prsente un maximum alors que londe arrivant de la source 2 prsente un minimum, la somme des deux contributions est zro (figure du haut).
La somme de deux ondes peut donner entre autre une onde avec une amplitude deux fois plus grande (onde en phase) , zro (onde en dphasage) 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 o une onde est gnre par le casque pour annuler londe sonore dont on veut sisolerLorsquon se trouve dans un endroit tel que londe arrivant de la source 1 prsente un maximum alors que londe arrivant de la source 2 prsente un minimum, la somme des deux contributions est zro (figure du haut).
La somme de deux ondes peut donner entre autre une onde avec une amplitude deux fois plus grande (onde en phase) , zro (onde en dphasage) 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 o une onde est gnre par le casque pour annuler londe sonore dont on veut sisoler
18. Revenons notre exprience dinterfrence avec la lumire. Les franges lumineuses correspondent des points o les deux ondes lumineuses arrivent en phase, lintensit lumineuse est deux fois plus grande et les franges sombres correspondent des endroits o les ondes lumineuses s'annulent (opposition de phase)Revenons notre exprience dinterfrence avec la lumire. Les franges lumineuses correspondent des points o les deux ondes lumineuses arrivent en phase, lintensit lumineuse est deux fois plus grande et les franges sombres correspondent des endroits o les ondes lumineuses s'annulent (opposition de phase)
19. Nature des ondes lumineuses La lumire se propage dans le vide, cest la vibration de quoi?
Nouveau milieu : lther
Ondes lumineuses : ondes lectromagntiques Nous avons vu des exemples donde comme les vagues ou le son ou la vibration dune corde qui sont des vibrations de milieu matriel : leau, lair ou la corde. La lumire se propage dans le vide, elle nest donc pas la vibration dun milieu matriel Alors cest la vibration de quoi? Cest une question qui a tracass les physicien du XIX sicle. Ils avaient cr un nouveau milieu au proprits mcaniques tonnantes lther qui a t abandonn depuis. Puis vers la fin du XIX sicle, on a compris que la lumire faisait partie de la grande famille des ondes lectromagntiques avec les ondes radio, les micro-ondes, les rayons X, etc... Ce qui diffrencie toutes ces ondes, cest la longueur dondeNous avons vu des exemples donde comme les vagues ou le son ou la vibration dune corde qui sont des vibrations de milieu matriel : leau, lair ou la corde. La lumire se propage dans le vide, elle nest donc pas la vibration dun milieu matriel Alors cest la vibration de quoi? Cest une question qui a tracass les physicien du XIX sicle. Ils avaient cr un nouveau milieu au proprits mcaniques tonnantes lther qui a t abandonn depuis. Puis vers la fin du XIX sicle, on a compris que la lumire faisait partie de la grande famille des ondes lectromagntiques avec les ondes radio, les micro-ondes, les rayons X, etc... Ce qui diffrencie toutes ces ondes, cest la longueur donde
20. Sans rentrer dans les dtails, on peut se demander si la thorie ondulatoire qui dcrit les phnomnes comme la diffraction et les interfrences est capable de dcrire la rflexion et la rfraction de la lumire. La rponse est oui. La thorie ondulatoire est capable de dcrire tous les phnomnes lumineux qui tait dcrit par la thorie corpusculaire. Elle semble une bonne thorie de la lumire.Sans rentrer dans les dtails, on peut se demander si la thorie ondulatoire qui dcrit les phnomnes comme la diffraction et les interfrences est capable de dcrire la rflexion et la rfraction de la lumire. La rponse est oui. La thorie ondulatoire est capable de dcrire tous les phnomnes lumineux qui tait dcrit par la thorie corpusculaire. Elle semble une bonne thorie de la lumire.
21. Effet photo-lectrique (Hertz 1887, Einstein 1905) Leffet photo-lectrique a t mis en vidence par Hertz en 1887, Einstein en a donn une interprtation en 1905.Leffet photo-lectrique a t mis en vidence par Hertz en 1887, Einstein en a donn une interprtation en 1905.
22. Effet photo-lectrique Pour cette exprience, nous avons besoin dune source lumineuse, dun bloc de mtal (csium), dun gnrateur de courant (pile), dun dtecteur de courant (ampremtre) et dun collecteur dlectrons (un appareillage qui me permettra de rcuprer des lectrons mis par le bloc, je ne donne pas plus de dtail)
Dans ltat actuel, aucun courant nest dtectPour cette exprience, nous avons besoin dune source lumineuse, dun bloc de mtal (csium), dun gnrateur de courant (pile), dun dtecteur de courant (ampremtre) et dun collecteur dlectrons (un appareillage qui me permettra de rcuprer des lectrons mis par le bloc, je ne donne pas plus de dtail)
Dans ltat actuel, aucun courant nest dtect
23. Comment les lectrons sont lis? Avant de commencer lexprience, je voudrais expliquer comment les lectrons sont lis au bloc de matire. La matire est faite datomes, ces atomes sont composs dun noyau et dlectrons. Mais les atomes sont lis entre eux pour former le bloc de mtal, Globalement, tout se passe comme si les lectrons du bloc de mtal taient au fond dun puits. Pour les sortir de ce puits, il faut leur communiquer une certaine nergie. La hauteur du puits est proportionnelle lnergie quil faut fournir pour arracher les lectrons. Cette nergie doit tre apporte en une seule fois, elle nest pas cumulable.Avant de commencer lexprience, je voudrais expliquer comment les lectrons sont lis au bloc de matire. La matire est faite datomes, ces atomes sont composs dun noyau et dlectrons. Mais les atomes sont lis entre eux pour former le bloc de mtal, Globalement, tout se passe comme si les lectrons du bloc de mtal taient au fond dun puits. Pour les sortir de ce puits, il faut leur communiquer une certaine nergie. La hauteur du puits est proportionnelle lnergie quil faut fournir pour arracher les lectrons. Cette nergie doit tre apporte en une seule fois, elle nest pas cumulable.
24. On allume la lumire Si on allume la lumire (avec un choix particulier du type de lumire et du mtal) un courant lectrique apparat dans le circuit : des lectrons sont arrachs au mtal par la lumire, rcuprs par le collecteur et voyagent travers les fils.
Ce type dexprience peut tre explique par une thorie ondulatoire londe transporte de lnergie (pas de la matire) qui est proportionnelle lamplitude de londe. a ne fait pas le mme effet de recevoir une vague haute ou petite sur soi. Penser aussi aux tlcommande avec les quelles vous pouvez modifier ltat dun appareil laide dune ondeSi on allume la lumire (avec un choix particulier du type de lumire et du mtal) un courant lectrique apparat dans le circuit : des lectrons sont arrachs au mtal par la lumire, rcuprs par le collecteur et voyagent travers les fils.
Ce type dexprience peut tre explique par une thorie ondulatoire londe transporte de lnergie (pas de la matire) qui est proportionnelle lamplitude de londe. a ne fait pas le mme effet de recevoir une vague haute ou petite sur soi. Penser aussi aux tlcommande avec les quelles vous pouvez modifier ltat dun appareil laide dune onde
25. Plus de lumire Si on augmente lintensit de la lumire (amplitude de londe) alors le courant dtect est plus important : plus dlectrons sont arrachs au bloc de mtalSi on augmente lintensit de la lumire (amplitude de londe) alors le courant dtect est plus important : plus dlectrons sont arrachs au bloc de mtal
26. On change la couleur Maintenant changeons la couleur de la lumire (la longueur donde). Dans ce cas, il ny a pas de courant dtect !!!Maintenant changeons la couleur de la lumire (la longueur donde). Dans ce cas, il ny a pas de courant dtect !!!
27. On augmente lintensit On a beau augmenter lintensit de la lumire (amplitude) aucun courant nest dtectOn a beau augmenter lintensit de la lumire (amplitude) aucun courant nest dtect
28. Comment expliquer ces faits ? lnergie transporte par londe est proportionnelle lamplitude pas la longueur donde
Incompatibilit avec la thorie ondulatoire Comment expliquer simplement ces faits dans le cadre dune thorie ondulatoire de la lumire? Dans le cas dune thorie ondulatoire, lnergie qui arrive sur le bloc de mtal est proportionnelle lamplitude de londe lumineuse, elle na rien voir avec la longueur donde
Donc ces faits exprimentaux ne sont pas compatibles avec une thorie ondulatoire de la lumire.Comment expliquer simplement ces faits dans le cadre dune thorie ondulatoire de la lumire? Dans le cas dune thorie ondulatoire, lnergie qui arrive sur le bloc de mtal est proportionnelle lamplitude de londe lumineuse, elle na rien voir avec la longueur donde
Donc ces faits exprimentaux ne sont pas compatibles avec une thorie ondulatoire de la lumire.
29. Interprtation dEinstein (1905) Albert Einstein a donn une interprtation de ces faits exprimentaux. Pour cela, il a suppos que les changes dnergie entre la lumire et la matire se faisaient par change de paquets (grains) dnergie (photons). La lumire se comportent comme si elle tait compose de grain dnergie: les photons. Ces grains (photons) apportent une nergie qui est inversement proportionnelle la longueur donde du rayonnement : plus la longueur donde est petite, plus lnergie apporte par un grain est grandeAlbert Einstein a donn une interprtation de ces faits exprimentaux. Pour cela, il a suppos que les changes dnergie entre la lumire et la matire se faisaient par change de paquets (grains) dnergie (photons). La lumire se comportent comme si elle tait compose de grain dnergie: les photons. Ces grains (photons) apportent une nergie qui est inversement proportionnelle la longueur donde du rayonnement : plus la longueur donde est petite, plus lnergie apporte par un grain est grande
30. Interprtation dEinstein (suite) Plus dintensit = plus de photons
nergie apporte par le photon rouge < lnergie de liaison des lectrons aux atomes du bloc de mtal Si on augmente l'intensit de la lumire, on augmente le nombre de photons, pas leur nergie
ce modle de type corpusculaire permet de dcrire les faits exprimentaux prcdent. En effet, si lnergie apporte par les photons rouges (grain dnergie de la lumire rouge) est infrieur lnergie de liaison des lectrons au bloc de mtal alors aucun lectrons ne sera arrachs, ceci quelque soit leur nombre ( lintensit de la lumire)Si on augmente l'intensit de la lumire, on augmente le nombre de photons, pas leur nergie
ce modle de type corpusculaire permet de dcrire les faits exprimentaux prcdent. En effet, si lnergie apporte par les photons rouges (grain dnergie de la lumire rouge) est infrieur lnergie de liaison des lectrons au bloc de mtal alors aucun lectrons ne sera arrachs, ceci quelque soit leur nombre ( lintensit de la lumire)
31. Nous voudrions illustrer cela avec une petite animation, les coccinelles reprsentent lnergie apporte par les photons de la lumire rouge.Nous voudrions illustrer cela avec une petite animation, les coccinelles reprsentent lnergie apporte par les photons de la lumire rouge.
41. Tandis que superdupont reprsente lnergie apport par les photons de la lumire bleue.Tandis que superdupont reprsente lnergie apport par les photons de la lumire bleue.
46. On ne peut pas arracher les lectrons du bloc si lon napporte pas la quantit dnergie suffisante mme si on lapporte en plusieurs fois. Les coccinelles malgr quelles taient trois nont pas t capables de sortir llectron du puitsOn ne peut pas arracher les lectrons du bloc si lon napporte pas la quantit dnergie suffisante mme si on lapporte en plusieurs fois. Les coccinelles malgr quelles taient trois nont pas t capables de sortir llectron du puits
47. Thorie ondulatoire
Interfrence
Diffraction
..... Thorie corpusculaire
Effet photo-lectrique
Recul des atomes mettant de la lumire
.... Je dirai mme plus ondulaire ou corpusculatoire ? A ce point, nous avons deux thories concurrentes de la lumire :
1) une thorie ondulatoire qui explique les phnomnes comme interfrence, diffraction ...
2) une thorie corpusculaire qui explique certains phnomnes comme : leffet photo-lectrique, (ionisation des molcules par le rayonnement UV), recul des atomes mettant de la lumire, ......
Nous nous trouvons dans une impasse......A ce point, nous avons deux thories concurrentes de la lumire :
1) une thorie ondulatoire qui explique les phnomnes comme interfrence, diffraction ...
2) une thorie corpusculaire qui explique certains phnomnes comme : leffet photo-lectrique, (ionisation des molcules par le rayonnement UV), recul des atomes mettant de la lumire, ......
Nous nous trouvons dans une impasse......
48. Thorie quantique (Schrdinger, Heisenberg, Bohr 1930, Feynman, Schwinger, Tomonaga 1949) Tous les systmes o une quantit varie de faon discrte relve de la physique quantique. Cest le cas pour la lumire, o nous avons vu que les changes dnergie entre la matire et la lumire seffectuait par paquets.
Les lois de la physique quantique (des systmes microscopiques) ont t drives entre les annes 1925-1930. Pour avoir une thorie quantique cohrente de la lumire, il fallut attendre les annes 1950Tous les systmes o une quantit varie de faon discrte relve de la physique quantique. Cest le cas pour la lumire, o nous avons vu que les changes dnergie entre la matire et la lumire seffectuait par paquets.
Les lois de la physique quantique (des systmes microscopiques) ont t drives entre les annes 1925-1930. Pour avoir une thorie quantique cohrente de la lumire, il fallut attendre les annes 1950
49. Thorie quantique de la lumire Dans cette dernire partie, nous allons voir comment la physique quantique permet davoir une comprhension unifie des phnomnes lumineux Dans cette partie, noua allons nous attacher au comportement de la lumire plutt qu sa nature. En effet, on peroit la lumire quau travers des interactions quelle a avec les diffrents rcepteurs. La lumire se comporte tantt comme une onde tantt comme une pluie de corpuscules. Dans cette dernire partie, nous allons voir comment la physique quantique permet davoir une comprhension unifie des phnomnes lumineux Dans cette partie, noua allons nous attacher au comportement de la lumire plutt qu sa nature. En effet, on peroit la lumire quau travers des interactions quelle a avec les diffrents rcepteurs. La lumire se comporte tantt comme une onde tantt comme une pluie de corpuscules.
50. Dispositif exprimental Pour cela, revenons au dispositif exprimental dcrit lors de la prsentation des interfrences. On a un premier cran perc de deux fentes F1 et F2, derrire un deuxime cran recouvert dune plaque photographique. Ici, notre source lumineuse a une intensit rglable de faon trs fine.
On allume la lumire et on regarde le rsultat sur la plaque photoPour cela, revenons au dispositif exprimental dcrit lors de la prsentation des interfrences. On a un premier cran perc de deux fentes F1 et F2, derrire un deuxime cran recouvert dune plaque photographique. Ici, notre source lumineuse a une intensit rglable de faon trs fine.
On allume la lumire et on regarde le rsultat sur la plaque photo
51. Forte luminosit Si on rgle la luminosit au maximum (forte), on a des franges dinterfrence sur notre cran : la lumire se comporte ici comme une onde.
Si on rgle la luminosit au maximum (forte), on a des franges dinterfrence sur notre cran : la lumire se comporte ici comme une onde.
52. Faible luminosit Si on rgle la luminosit au minimum ( faible), on voit des impacts localiss distribus de faon alatoire (au hasard). La lumire, dans ce cas, se comporte comme une pluie de (grains) photon. Si on rgle la luminosit au minimum ( faible), on voit des impacts localiss distribus de faon alatoire (au hasard). La lumire, dans ce cas, se comporte comme une pluie de (grains) photon.
53. Comment se construit la figure dinterfrence? Quest ce qui se passe entre la position maximum et minimum de la luminosit ?
La figure dinterfrence est construite impact aprs impact. Elle nest visible que sil y a suffisamment dimpacts sur la plaque (un grand nombre de photons arrivs sur la plaque). Si au contraire, il y a peu de photons qui arrivent, on a limpression que leur impact sont rpartis au hasard. Ceci nous amne introduire la probabilit de trouver un impact de photon tel endroit de la plaque photographique. La probabilit de trouver un impact dans les zones lumineuses (zones rouges) est grande tandis que la probabilit de trouv un photon dans les zones sombres est faible (voire nulle). Cette probabilit est proportionnelle lintensit lumineuse.
N.B. : probabilit davoir un impact en un endroit donn de la plaque = nombre dimpacts dans cet endroit / nombre total dimpacts. Quest ce qui se passe entre la position maximum et minimum de la luminosit ?
La figure dinterfrence est construite impact aprs impact. Elle nest visible que sil y a suffisamment dimpacts sur la plaque (un grand nombre de photons arrivs sur la plaque). Si au contraire, il y a peu de photons qui arrivent, on a limpression que leur impact sont rpartis au hasard. Ceci nous amne introduire la probabilit de trouver un impact de photon tel endroit de la plaque photographique. La probabilit de trouver un impact dans les zones lumineuses (zones rouges) est grande tandis que la probabilit de trouv un photon dans les zones sombres est faible (voire nulle). Cette probabilit est proportionnelle lintensit lumineuse.
N.B. : probabilit davoir un impact en un endroit donn de la plaque = nombre dimpacts dans cet endroit / nombre total dimpacts.
54. Dualit onde-corpuscule La lumire se comporte tantt comme une onde, tantt comme une pluie de photons
La probabilit dimpact est proportionnelle lintensit lumineuse
Objet fondamental : amplitude de probabilit pour chaque photon Les caractres ondulatoire et corpusculaire de la lumire sont intrinsquement lis.
La probabilit dimpacts est proportionnelle l'intensit ( un endroit, + lintensit est grande + les chances davoir un impact sont importantes)
On introduit un objet fondamental qui est lamplitude de probabilit : cet objet nous permet de prdire (calculer), grce aux lois de la physique quantique la probabilit quun photon fasse un impact un endroit ( proportionnelle au carr de cette amplitude de probabilit cet endroit). Comme linterfrence est typique des phnomnes ondulatoires, cette amplitude de probabilit obit donc des lois ondulatoires
iLes caractres ondulatoire et corpusculaire de la lumire sont intrinsquement lis.
La probabilit dimpacts est proportionnelle l'intensit ( un endroit, + lintensit est grande + les chances davoir un impact sont importantes)
On introduit un objet fondamental qui est lamplitude de probabilit : cet objet nous permet de prdire (calculer), grce aux lois de la physique quantique la probabilit quun photon fasse un impact un endroit ( proportionnelle au carr de cette amplitude de probabilit cet endroit). Comme linterfrence est typique des phnomnes ondulatoires, cette amplitude de probabilit obit donc des lois ondulatoires
i
55. Exprience modifie On va modifier notre exprience. Pour cela bouchons tour de rle une des deux fentes. Nous allons obtenir deux photos : une correspondant aux impacts des photons passant par la fente 1 (la fente 2 est bouche), lautre correspondant aux impacts des photons passant par la fente 2 (la 1 tant bouche)On va modifier notre exprience. Pour cela bouchons tour de rle une des deux fentes. Nous allons obtenir deux photos : une correspondant aux impacts des photons passant par la fente 1 (la fente 2 est bouche), lautre correspondant aux impacts des photons passant par la fente 2 (la 1 tant bouche)
56. Voici les deux photos : une avec les impacts des photons qui sont passs par la fente 1 et lautre avec les impacts des photons qui sont passs par la fente 2.Voici les deux photos : une avec les impacts des photons qui sont passs par la fente 1 et lautre avec les impacts des photons qui sont passs par la fente 2.
57. Si on ajoute les impacts provenant des photons qui sont passs par la fente 1 ceux provenant des photons qui sont passs par la fente 2, nous obtenons la figure suivante. La distribution de probabilit est diffrente de celle que nous avions obtenue lorsque les deux fentes taient ouvertes.
Si on note PF1 la distribution de probabilit lorsque la fente 1est ouverte et la fente 2 bouche, PF2 la distribution de probabilit lorsque la fente 2 est ouverte et la fente 1 bouche et PF12 la distribution de probabilit lorsque les fentes 1 et 2 sont ouvertes. Nous voyons donc que PF12 nest pas gale la somme de PF1 et PF2. Cest une relation cl de la physique quantique.Si on ajoute les impacts provenant des photons qui sont passs par la fente 1 ceux provenant des photons qui sont passs par la fente 2, nous obtenons la figure suivante. La distribution de probabilit est diffrente de celle que nous avions obtenue lorsque les deux fentes taient ouvertes.
Si on note PF1 la distribution de probabilit lorsque la fente 1est ouverte et la fente 2 bouche, PF2 la distribution de probabilit lorsque la fente 2 est ouverte et la fente 1 bouche et PF12 la distribution de probabilit lorsque les fentes 1 et 2 sont ouvertes. Nous voyons donc que PF12 nest pas gale la somme de PF1 et PF2. Cest une relation cl de la physique quantique.
58. Unification quantique des deux aspects de la lumire Les aspects corpusculaire et ondulatoire de la lumire sont insparables ( dualit onde-corpuscule) : les informations sur un photon sont donnes par lamplitude de probabilit qui obit aux lois de la physique ondulatoire
Les prvisions sur le comportement dun photon sont du type probabiliste Les comportements ondulatoire et corpusculaire sont insparable. Ceci est ralis dans la thorie quantique en introduisant un nouvel objet : lamplitude de probabilit qui permet de calculer la probabilit quun photon se manifeste (dans notre cas la probabilit quun photon produise un impact un endroit prcis de la plaque photo). Cet objet obit aux lois de la physique ondulatoire.
De ce fait, les prvisions sur le comportement dun photon sont de type probabiliste
Les comportements ondulatoire et corpusculaire sont insparable. Ceci est ralis dans la thorie quantique en introduisant un nouvel objet : lamplitude de probabilit qui permet de calculer la probabilit quun photon se manifeste (dans notre cas la probabilit quun photon produise un impact un endroit prcis de la plaque photo). Cet objet obit aux lois de la physique ondulatoire.
De ce fait, les prvisions sur le comportement dun photon sont de type probabiliste
59. a marche aussi pour les particules de matire Les particules qui composent la matire se comportent aussi soit comme des ondes soit comme des particules. Voici le rsultat dune exprience faite l'universit de Tokyo. Un nuage datomes froids tombe sur une grille perce de deux fentes et sont dtects sur lcran du bas. A droite, limage est le rsultat de la dtection, on reconnat la mme figure dinterfrence que lon avait obtenu avec les photons.
Un nuage datome froids veut dire un gaz datomes au repos. Un gaz est compos datomes (lair), ces atomes sont anims dun mouvement alatoire, la temprature est directement relie la vitesse moyenne de ces atomesLes particules qui composent la matire se comportent aussi soit comme des ondes soit comme des particules. Voici le rsultat dune exprience faite l'universit de Tokyo. Un nuage datomes froids tombe sur une grille perce de deux fentes et sont dtects sur lcran du bas. A droite, limage est le rsultat de la dtection, on reconnat la mme figure dinterfrence que lon avait obtenu avec les photons.
Un nuage datome froids veut dire un gaz datomes au repos. Un gaz est compos datomes (lair), ces atomes sont anims dun mouvement alatoire, la temprature est directement relie la vitesse moyenne de ces atomes
60. Rsum Lumire : pluie de corpuscules
Lumire : onde
Lumire : tantt onde tantt pluie de grain dnergie
Lumire : dualit onde-corpuscule amplitude de probabilit Dans la premire thorie de la lumire, la lumire tait compose de corpuscules. Cette thorie dcrit les phnomnes lumineux comme la rfraction et la rflexion de la lumire. Mais elle ne dcrit pas la diffraction et les interfrences.
Pour pouvoir dcrire ces phnomnes on est amen faire une autre thorie dans laquelle la lumire est une onde. Cette thorie dcrit la diffraction et les interfrences, elle dcrit aussi les phnomnes dcrits par la thorie corpusculaire : rflexion et rfraction. Mais cette thorie ne dcrit pas les phnomnes o les changes dnergie entre lumire et matire se font via des paquets dnergie (photons)
On arrive un point o les phnomnes lumineux se classe en deux catgories : ceux dcrits par une thorie ondulatoire interfrence et ceux o il est ncessaire de supposer un change dnergie via des paquets.
Pour sortir de cette impasse, on renonce interprter les phnomnes lumineux en terme donde ou de grains (corpuscules). Le comportement ondulatoire et corpusculaire de la lumire sont intrinsquement lis. Lobjet important nest pas londe ou le photon, cest lamplitude de probabilit qui obit des lois ondulatoires (elle peut interfrer). Elle permet de prdire la probabilit quun photon se manifeste (fasse un impact sur la plaque photo). Cest la thorie quantique des la lumire, celle qui prvaut encore actuellement (on na pas trouver de nouveau phnomnes lumineux qui nous ferait remettre en cause cette thorie Ce comportement ondulatoire et corpusculaire sapplique aussi aux particules de matire (atomes, lectrons, etc...)
Dans la premire thorie de la lumire, la lumire tait compose de corpuscules. Cette thorie dcrit les phnomnes lumineux comme la rfraction et la rflexion de la lumire. Mais elle ne dcrit pas la diffraction et les interfrences.
Pour pouvoir dcrire ces phnomnes on est amen faire une autre thorie dans laquelle la lumire est une onde. Cette thorie dcrit la diffraction et les interfrences, elle dcrit aussi les phnomnes dcrits par la thorie corpusculaire : rflexion et rfraction. Mais cette thorie ne dcrit pas les phnomnes o les changes dnergie entre lumire et matire se font via des paquets dnergie (photons)
On arrive un point o les phnomnes lumineux se classe en deux catgories : ceux dcrits par une thorie ondulatoire interfrence et ceux o il est ncessaire de supposer un change dnergie via des paquets.
Pour sortir de cette impasse, on renonce interprter les phnomnes lumineux en terme donde ou de grains (corpuscules). Le comportement ondulatoire et corpusculaire de la lumire sont intrinsquement lis. Lobjet important nest pas londe ou le photon, cest lamplitude de probabilit qui obit des lois ondulatoires (elle peut interfrer). Elle permet de prdire la probabilit quun photon se manifeste (fasse un impact sur la plaque photo). Cest la thorie quantique des la lumire, celle qui prvaut encore actuellement (on na pas trouver de nouveau phnomnes lumineux qui nous ferait remettre en cause cette thorie Ce comportement ondulatoire et corpusculaire sapplique aussi aux particules de matire (atomes, lectrons, etc...)
61. Conclusion Le monde quantique est excessivement riche, il est toujours en dveloppement
Importance de la recherche fondamentale une comprhension profonde des lois de la physique permet un dveloppement de la technologie laser, protection des donnes par cryptographie quantique .... En conclusion de cet expos, nous avons peine ouvert la porte du monde quantique. Lhistoire ne sest pas arrt en 1949, il y a eu (et il y a encore) des nouveau dveloppement dans la comprhension au niveau microscopique des phnomnes lumineux (cf Prix Nobel 2005). Pour expliquer tout cela a ncessiterait une nouvelle confrence
Jaimerai attirer votre attention aussi sur limportance de la recherche fondamentale. Il peut sembler que les scientifiques sattachent des problmes acadmiques (interfrence) mais une comprhension profonde des lois de la physique permet des dveloppements technologiques qui leur tour permettront une analyse plus fine des phnomnes physiquesEn conclusion de cet expos, nous avons peine ouvert la porte du monde quantique. Lhistoire ne sest pas arrt en 1949, il y a eu (et il y a encore) des nouveau dveloppement dans la comprhension au niveau microscopique des phnomnes lumineux (cf Prix Nobel 2005). Pour expliquer tout cela a ncessiterait une nouvelle confrence
Jaimerai attirer votre attention aussi sur limportance de la recherche fondamentale. Il peut sembler que les scientifiques sattachent des problmes acadmiques (interfrence) mais une comprhension profonde des lois de la physique permet des dveloppements technologiques qui leur tour permettront une analyse plus fine des phnomnes physiques
62. Pour en savoir plus ....
