Synthèse "Dualité onde-corpuscule"

Dualité onde-corpuscule

Au XVIIème siècle, deux grands scientifiques sont en désaccord sur la nature de la lumière. Le néerlandais Huygens pense que celle-ci est une onde, une vibration qui se propage tandis que l’anglais Newton pense que c’est un flot de particules.

A cette époque, ces deux théories ont lieu car elles permettent chacune de décrire les phénomènes lumineux, notamment de réfraction lors du passage de l’air à l’eau (2 milieux transparents): selon Huygens, la réfraction s’explique du fait que la vitesse des ondes diminue et Newton du fait que la vitesse des corpuscules augmente. Ces deux théories vont scinder le monde scientifique en deux partis : les partisans de la nature ondulatoire et les partisans de la nature corpusculaire.

En 1801, Young met en place l’expérience dite des « fentes d’Young ».  On observe, lors de cette expériences, que lorsqu’un faisceau de lumières passe à travers 2 fentes, une alternance de bandes sombres et claires apparaît sur l’écran ce qui est signe d’interférences (les bandes sont sombres lorsque les ondes sont en opposition et claires lorsqu’elles sont en phase).

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Expérience des fentes d’Young

Cette découverte ainsi que celle de la polarisation de Malus et celle de la diffraction de Fresnel au début du XIXème siècle mettent en avant la nature ondulatoire de la lumière. Mais elle ne fait pas l’unanimité car beaucoup de scientifiques (Poisson, Laplace, Biot…) restent persuadés que Newton a raison, celui-ci ayant gagné un immense prestige grâce à ses découvertes sur la gravitation et le mouvement des planètes.

Toujours au début du XIXème siècle, le français Arago décide de mesurer la vitesse de la lumière dans l’eau. En effet, en comparaison avec sa vitesse dans l’air, si celle-ci est plus faible dans l’eau alors la lumière est une onde et si elle est plus forte alors c’est un flot de particules. Grâce notamment aux matériels performants de Fizeau et Foucault (dispositifs avec roue dentée et miroir tournant), Arago réalise son expérience en 1850 et observe que la lumière se déplace moins vite dans l’eau.

La théorie de la nature ondulatoire l’emporte alors. De plus, Maxwell unifie électricité et magnétisme grâce à ses équations en 1865 et affirme que la lumière est une onde électromagnétique, l’addition d’une onde électrique et d’une onde magnétique.

En 1886, Hertz découvre la photoélectricité : une plaque soumise à une lumière violette émet de l’électricité (électrons arrachés) tandis qu’avec une lumière rouge rien ne se passe même si l’intensité est augmentée. Cet effet est impossible à expliquer si la lumière n’est qu’une onde transportant de l’énergie.

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Effet photoélectrique

En 1905, Einstein donne une explication à  l’effet photoélectrique en s’inspirant des travaux de Planck et ainsi a lieu la relation de Planck-Einstein :

« E = h x v »  pouvant être détaillée « E = h x ( c / lambda ) »

(E=énergie du photon; h=constante de Planck ; v=fréquence de l’onde électromagnétique associée au photon ; c=vitesse de la lumière ; lambda=longueur d’onde)

Cette relation traduit le modèle corpusculaire de la lumière en permettant de calculer l’énergie transportée par un photon.

Selon Einstein, la lumière est composée de « quantas », de particules sans masse dont l’énergie est répartie sur un espace très petit et véhiculé par une onde électromagnétique et qui dépend de la fréquence de l’onde associée. Lorsqu’un électron de la plaque de métal absorbe un photon (quantum d’énergie associé aux ondes électromagnétiques) dont l’énergie est suffisante, celui-ci peut s’arracher de la plaque de métal.

D’après la relation Planck-Einstein, plus la longueur d’onde diminue et plus l’énergie augmente. Une plaque de métal exposée à une lumière rouge (longueur d’onde importante) ne voit pas ses électrons arrachés car l’énergie est faible et augmenter l’intensité lumineuse ne changera rien car en augmentant l’intensité seul le nombre de photons envoyés augmente.

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