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Dualité onde-particule

Cours · physique des ondes (PCSI), chapitre 4 · CPGE PCSI (1re année) · le début du chapitre, la suite sur Adloun

Dualité onde-particule : les impacts individuels de particules dessinent peu à peu des franges d'interférences.

Les chapitres précédents ont décrit la lumière comme une onde : les interférences des trous d'Young en sont la preuve. Pourtant, au début du XXe siècle, certaines expériences ont révélé que la lumière se comporte aussi comme un flux de grains d'énergie — les photons. Symétriquement, de Broglie a postulé que la matière (électrons, atomes) possède elle aussi un caractère ondulatoire. C'est la dualité onde-particule, idée fondatrice de la physique quantique.

Ce chapitre est volontairement qualitatif : il s'agit de comprendre les idées et d'évaluer des ordres de grandeur, non de mener de longs calculs.

4.1 Le photon : la lumière granulaire

Définition 4.1Photon

La lumière de fréquence (longueur d'onde ) est constituée de photons, grains d'énergie et d'impulsion

avec la constante de Planck . Le photon n'a pas de masse et se déplace à la vitesse .

ImportantL'effet photoélectrique : la preuve du photon

Lorsqu'on éclaire un métal, des électrons peuvent être éjectés. L'expérience montre :

  • il existe une fréquence seuil : en dessous, aucun électron n'est émis, même pour une lumière très intense ;
  • au-dessus du seuil, l'émission est instantanée et l'énergie cinétique des électrons dépend de la fréquence, pas de l'intensité ;
  • l'intensité ne fait que changer le nombre d'électrons émis.

La théorie ondulatoire classique échoue (elle prédit une accumulation progressive d'énergie, sans seuil). Einstein (1905) l'explique : chaque photon cède son énergie à un électron, d'où ( : travail d'extraction). C'est la nécessité de la notion de photon.

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