Dualité onde-particule
Cours · physique des ondes (PCSI), chapitre 4 · CPGE PCSI (1re année) · le début du chapitre, la suite sur Adloun
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
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 .
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.
Exercices du chapitre
- La pression de radiation et la voile solaire corrigé
- Le retard que l'onde prédisait corrigé
- L'échelle des énergies par particule : , liaison chimique, corrigé
- L'électron accéléré et le microscope électronique corrigé
- L'expérience de Davisson et Germer (1927) corrigé
- Une même longueur d'onde, trois sondes : photon X, électron, neutron corrigé