grain donde ou les deux visages de la lumière. introduction

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Grain d’onde ou les deux visages de la lumière

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Page 1: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Grain d’onde ou les deux visages de la lumière

Page 2: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Introduction

Page 3: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Plan

I. Théorie corpusculaire de la lumière

II. Théorie ondulatoire

III. Effet photo-électrique

IV. Théorie quantique

Page 4: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Théorie corpusculaire de la lumière

(Newton 1675)

Page 5: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Théorie corpusculaire de la lumière

● Théorie mécanique de la lumière● La lumière est faite de corpuscules

(grains): différents types de corpuscules pour chaque couleur (arc-en-ciel)

● La lumière se propage en ligne droite● La théorie corpusculaire décrit la

réflexion et la réfraction de la lumière

Page 6: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Réflexion, réfraction(lois de Snell Descartes)

Lors d’une réflexion dela lumière sur un miroir, l’angle d’incidence =angle de réflexion

Lorsque la lumière passed’un milieu à un autre, elle change de direction à l’interface entre ces milieux

Page 7: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

La lumière se propage en ligne droite

mais ....

Page 8: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Diffraction

Si l’on réduit la taille de l’ouverture

Page 9: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Interférence

Sourcelumineuse

Fentes de Young

Page 10: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

La théorie corpusculaire

● décrit des phénomènes lumineux comme la réflexion et la réfraction

● ne décrit pas la diffraction et les phénomènes d’interférence

Page 11: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Théorie ondulatoire(Huygens 1678, Fresnel 1819)

Page 12: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Théorie ondulatoire

● La lumière est une onde● Les couleurs correspondent à différentes

longueur d’onde

Page 13: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Rappels sur les ondes

Page 14: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Interférence

Page 15: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Interférence

Page 16: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

En un point donné de la surface de l’eau

évolution au cours du temps de l’onde 1 et de l’onde 2

Somme des deux contributions

Vous êtes ici

Page 17: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

En un autre point de la surface de l’eau

évolution au cours du temps de l’onde 1 et de l’onde 2

Somme des deux contributions

Vous êtes ici

Page 18: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Pla

qu

e p

hoto

gra

ph

iqu

eSourcelumineuse

lumière + lumière = noir ! ! !

Page 19: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Nature des ondes lumineuses

● La lumière se propage dans le vide, c’est la vibration de quoi?

● Nouveau milieu : l’éther● Ondes lumineuses : ondes

électromagnétiques

Page 20: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

La théorie ondulatoire décrit les phénomènes lumineux comme la

réflexion et la réfraction

Page 21: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Effet photo-électrique(Hertz 1887, Einstein 1905)

Page 22: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

+

Effet photo-électrique

lampe

Bloc de métal césium

Collecteur d’électrons

Déte

cteu

r de co

ura

nt

Page 23: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Comment les électrons sont liés?

Page 24: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Émission d'électrons

On allume la lumière

+

Page 25: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Plus d'électrons

Plus de lumière

+

Page 26: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Pas d’émission d'électrons

On change la couleur

+

Page 27: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Toujours pas d’émission d'électrons

On augmente l’intensité

+

Page 28: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Comment expliquer ces faits ?

● l’énergie transportée par l’onde est proportionnelle à l’amplitude pas à la longueur d’onde

● Incompatibilité avec la théorie ondulatoire

Page 29: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Interprétation d’Einstein (1905)

Page 30: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Interprétation d’Einstein (suite)

● Plus d’intensité = plus de photons

● Énergie apportée par le photon rouge < à l’énergie de liaison des électrons aux atomes du bloc de métal

Page 31: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction
Page 32: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

hauteur à franchir

Page 33: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction
Page 34: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction
Page 35: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction
Page 36: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction
Page 37: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction
Page 38: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction
Page 39: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction
Page 40: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction
Page 41: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction
Page 42: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction
Page 43: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction
Page 44: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction
Page 45: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction
Page 46: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Merci à

Page 47: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

● Théorie ondulatoire

● Interférence● Diffraction● .....

● Théorie “corpusculaire”

● Effet photo-électrique

● Recul des atomes émettant de la lumière

● ....

Alors la lumière : ondulatoire ou corpusculaire ?

Je dirai même plusondulaire ou corpusculatoire ?

Page 48: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Théorie quantique(Schrödinger, Heisenberg,Bohr 1930,

Feynman, Schwinger,Tomonaga 1949)

Page 49: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Théorie quantique de la lumière

Page 50: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Dispositif expérimental

Pla

qu

e p

hoto

gra

ph

iqu

eSourcelumineuse

Page 51: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Forte luminosité

Franges d’interférence : la lumière se comporte commeune onde

Page 52: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Faible luminosité

impacts localisés : la lumière se comporte commeune pluie de corpuscules

Page 53: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Comment se construit la figure d’interférence?

Page 54: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Dualité onde-corpuscule

● La lumière se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme une pluie de photons

● La probabilité d’impact est proportionnelle à l’intensité lumineuse

● Objet fondamental : amplitude de probabilité pour chaque photon

Page 55: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Expérience modifiée

Pla

qu

e p

hoto

gra

ph

iqu

eSourcelumineuse

Page 56: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Impacts des photons qui sontpassés par la fente 1

Impacts des photons qui sontpassés par la fente 2

Page 57: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Si on somme les impacts des photons qui sont passés parles fentes 1 et 2, on trouve cette photo.

PF1_ P

F2≠P

F12

Page 58: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Unification quantique des deux aspects de la lumière

● Les aspects corpusculaire et ondulatoire de la lumière sont inséparables ( dualité onde-corpuscule) : les informations sur un photon sont données par l’amplitude de probabilité qui obéit aux lois de la physique ondulatoire

● Les prévisions sur le comportement d’un photon sont du type probabiliste

Page 59: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Ça marche aussi pour les particules de matière

Page 60: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Résumé

● Lumière : pluie de corpuscules

● Lumière : onde● Lumière : tantôt

onde tantôt pluie de grain d’énergie

● Lumière : dualité onde-corpuscule amplitude de probabilité

+

Page 61: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Conclusion

● Le monde quantique est excessivement riche, il est toujours en développement

● Importance de la recherche fondamentale une compréhension profonde des lois de la physique permet un développement de la technologie laser, protection des données par cryptographie quantique ....

Page 62: Grain donde ou les deux visages de la lumière. Introduction

Pour en savoir plus ....

[email protected]

Sites : http://lappweb.in2p3.fr/lapth-2005

Atomes froids : http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids

Optique : http://memberss.aol.com/Mluque5130 http://galileo.cyberscol.qc.ca/optique/tabmat.html http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/ enseignement/tp/optique

Conférence préparée par:L. GallotJ. Ph. GuilletM. MuelheitnerE. PilonE. RagoucyR. Taillet