Épisode 6 : découverte du photon

Depuis que FIAT LUX (la lumière fut), l’homme s’interroge sur sa nature. Deux réponses ont été proposées depuis le XVIème siècle qui ont divisé le monde des scientifiques en deux.

D’un côté, on trouve les partisans de NEWTON, qui voient dans la lumière un flot (ou un flux) de particules (des petits grains de lumière) se déplaçant en ligne droite.

De l’autre, les partisans de DESCARTES, qui voient la lumière comme une onde, qui se déplace dans l’espace à la manière d’une vague sur la mer (il n’y a pas de déplacement de matière mais seulement d’énergie).

Qui a raison ? Il faut attendre le débit XIXème siècle et l’expérience de YOUNG (expérience dite des fentes de YOUNG) pour faire pencher le balancier vers les seconds. MAXWELL met le tout en équation et la messe semble dite : la lumière est une onde (comme le son). Et son énergie est liée directement à l’amplitude de cette onde, comme l’énergie d’une vague est liée à sa hauteur.

Toutefois, la réponse ondulatoire semblait avoir quelques défauts ! On le savait : certaines réactions chimiques n’étaient possibles que si elles disposaient de l’énergie nécessaire apportée par un flux de lumière. En théorie, il suffisait d’attendre suffisamment longtemps ou disposer d’une intensité lumineuse suffisante pour que la réaction s’amorce. Or, sous une certaine fréquence, on avait beau augmenter l’intensité lumineuse ou attendre suffisamment, rien ne se passait.

Qu’a compris EINSTEIN en 1905 ?

EINSTEIN travaille sur l’effet photo-électrique, c’est-à-dire la faculté dont disposent certains matériaux (comme ceux des panneaux photo-voltaïque) d’émettre des électrons lorsqu’ils sont bombardés de lumière. Là-aussi, en dessous d’une certaine fréquence, on se rendait compte qu’aucun électron n’était émis.

EINSTEIN revient à l’idée première selon laquelle la lumière serait constituée de grains : les quanta (terme piqué à Max Planck) de lumière.

Les grains de lumière sont absorbés par le matériau ou plutôt par les électrons du matériau. Si leur énergie est suffisante, l’électron est éjecté du matériau.

Augmenter l’intensité de la lumière revient à augmenter le nombre de grains de lumières, mais chaque grain dispose toujours la même énergie. Si celle-+ci n’est pas suffisante, l’électron restera bien collé au matériau, peu importe le nombre de grain qui le bombarde.

L’énergie du grain (plus tard appelé photon) est seulement liée à la fréquence de l’onde lumineuse (la couleur) et non-pas à son intensité (la puissance de l’ampoule).

Pour EINSTEIN, La lumière est donc constituée de grains (les photons) dont l’énergie est calculée en considérant que cette même lumière est une onde !

À noter Planck ne croyait pas une seconde à cette idée de quanta de lumière.

La confirmation de COMPTON

C’est COMPTON (1923) qui montrera que la lumière peut en effet se comporter comme un flux de particules. Il bombarde un électron avec des photons à haute énergie (lumière à très forte fréquence ou faible longueur d’onde : ratons gamma). Il remarque que sont réémis un électron et un photon à faible énergie (lumière à faible fréquence ou importante longueur d’onde). Le phénomène est très similaire à ce qui se passe traditionnellement pendant la collision de deux particules : CQFD, la lumière est aussi faite de particules.

En d’autres termes, tout le monde a raison : la lumière est une onde et une particule.

Septième épisode : découverte du rayonnement alpha

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Les pères de la mécanique quantique, Physique, Science

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