Curious Kids: la lumière est-elle une onde ou une particule?

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La lumière est-elle une onde ou une particule? – Ishan, 15 ans, Dubaï

Salut Ishan! Merci pour votre excellente question.

La lumière peut être décrite à la fois comme une onde et comme une particule. Il existe deux expériences en particulier qui ont révélé la double nature de la lumière.

Lorsque l’on considère que la lumière est constituée de particules, ces dernières sont appelées photons. Les photons n’ont pas de masse, et chacun d’entre eux transporte une quantité spécifique d’énergie. En revanche, lorsque nous pensons que la lumière se propage sous forme d’ondes, il s’agit d’ondes de rayonnement électromagnétique. Les rayons X et les rayons ultraviolets sont d’autres exemples de rayonnement électromagnétique.

Il est bon de rappeler que la lumière – qu’elle se comporte comme une onde ou comme des particules – se déplacera toujours à environ 300 000 kilomètres par seconde. La vitesse de la lumière lorsqu’elle se déplace dans l’espace (ou un autre vide) est le phénomène le plus rapide de l’univers, pour autant que nous le sachions.

L’expérience de la double fente

Imaginez que vous avez un seau de balles de tennis. À deux mètres devant vous se trouve un panneau solide percé de deux trous. Un mètre derrière ce panneau se trouve un mur. Vous trempez chaque balle dans de la peinture rouge et la lancez sur un trou, puis sur l’autre. Un lancer réussi laissera une marque rouge sur le mur derrière, laissant un motif spécifique de points ronds.

Lancez des balles sur un mur et, si vous visez bien, vous obtiendrez un motif de points. Fourni par l’auteur

Maintenant, supposons que vous tirez un seul faisceau de lumière sur le même panneau percé de trous, sur la même trajectoire que les balles de tennis. Si la lumière est un faisceau de particules, ou autrement dit un faisceau de photons, vous vous attendez à voir un motif similaire à celui réalisé par les balles de tennis, là où les particules de lumière frappent le mur.

Ce n’est cependant pas ce que vous voyez. Au lieu de cela, vous voyez un motif complexe de rayures. Pourquoi?

C’est parce que la lumière, dans cette situation, se comporte comme une onde. Lorsque nous tirons un faisceau de lumière à travers les trous, il se brise en deux faisceaux. Les deux ondes résultantes interfèrent alors l’une avec l’autre pour devenir soit plus fortes (interférence constructive), soit plus faibles (interférence destructive).

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Une seule onde de lumière se brise en deux, générant ce que l’on appelle un motif d’interférence . Fourni par l’auteur

Les ondes créent un motif en treillis, qui se traduit par une série de rayures sur le mur. Dans l’image ci-dessus, les rayures sont plus grandes et plus lumineuses aux endroits où les ondes se rejoignent. Les espaces entre les rayures sont le résultat d’une interférence destructive, et les rayures sont le résultat d’une interférence constructive.

L’effet photoélectrique

L’expérience ci-dessus montre que la lumière se comporte comme une onde. Mais Albert Einstein nous a montré que nous pouvons également décrire la lumière comme étant composée de particules individuelles d’énergie: les photons. Cela est nécessaire pour rendre compte de quelque chose appelé effet photoélectrique.

Lorsque vous tirez de la lumière sur une feuille de métal, le métal émet des électrons: des particules qui sont chargées électriquement. C’est l’effet photoélectrique.

Avant Einstein, les scientifiques ont tenté d’expliquer l’effet photoélectrique en supposant que la lumière ne prend que la forme d’une onde. Pour comprendre leur raisonnement, imaginez des ondulations dans un étang. Les ondulations ont des pics où la vague monte, et des creux où elle plonge.

Imaginez maintenant qu’il y a aussi un bateau dans l’étang avec des soldats Lego à bord. Lorsque les ondulations atteignent le bateau, elles ont le potentiel de déstabiliser les soldats. Plus les ondulations transportent d’énergie, plus la force avec laquelle les soldats seront éjectés sera grande.

Et comme chaque ondulation peut potentiellement projeter un soldat, plus il y a d’ondulations qui atteignent le bateau dans un certain délai, plus on peut s’attendre à ce qu’il y ait de soldats projetés pendant ce temps.

Les ondes lumineuses présentent également des pics et des creux et ondulent donc de manière similaire. Dans la théorie ondulatoire de la lumière, ces oscillations sont liées à deux propriétés de la lumière: l’intensité et la fréquence.

Pour faire simple, la fréquence d’une onde lumineuse correspond au nombre de pics qui passent devant un point de l’espace dans une période donnée (comme lorsqu’un certain nombre d’ondulations frappent le bateau dans un temps spécifique). L’intensité correspond à l’énergie de l’onde (comme l’énergie portée par chaque ondulation de notre étang).

Les scientifiques du 19e siècle ont imaginé que les électrons sur une feuille de métal se comportaient de la même manière que les soldats Lego sur notre radeau. Lorsque la lumière frappe le métal, les ondulations devraient projeter les électrons.

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Plus l’intensité (l’énergie des ondulations) est grande, plus les électrons s’envoleront rapidement, pensaient-ils. Plus la fréquence est élevée dans un laps de temps donné, plus le nombre d’électrons qui seront éjectés pendant ce laps de temps est important – n’est-ce pas?

Ce que nous voyons en réalité, c’est tout le contraire! C’est la fréquence de la lumière qui frappe le métal qui détermine la vitesse des électrons lorsqu’ils sont éjectés. Pendant ce temps, l’intensité de la lumière, ou la quantité d’énergie qu’elle transporte, détermine en fait le nombre d’électrons qui s’envolent.

L’explication d’Einstein

Einstein avait une excellente explication pour cette observation particulière. Il a émis l’hypothèse que la lumière est constituée de particules et n’est en fait pas une onde. Il a ensuite lié l’intensité de la lumière au nombre de photons dans un faisceau, et la fréquence de la lumière à la quantité d’énergie que chaque photon transporte.

Lorsque plus de photons sont tirés sur le métal (plus grande intensité), il y a plus de collisions entre les photons et les électrons, donc un plus grand nombre d’électrons sont émis. Ainsi, l’intensité de la lumière détermine le nombre d’électrons émis, plutôt que la vitesse à laquelle ils s’envolent.

Augmentez l’intensité de la lumière, et donc le nombre de photons bombardant une feuille de métal, et vous verrez également un plus grand nombre d’électrons s’envoler. Fourni par l’auteur

Lorsque la fréquence de la lumière est augmentée et que chaque photon transporte plus d’énergie, alors chaque électron prend également plus d’énergie dans la collision – et va donc s’envoler avec plus de vitesse.

Cette explication a valu à Einstein un prix Nobel en 1921.

Onde ou particule?

Compte tenu de tout ce qui précède, une question demeure: la lumière est-elle une onde qui ressemble parfois à une particule ou une particule qui ressemble parfois à une onde? Il existe un désaccord à ce sujet.

Mon argent est sur la lumière étant une onde qui affiche des propriétés de type particule dans certaines conditions. Mais cela reste une question controversée – qui nous entraîne dans le domaine passionnant de la mécanique quantique. Je vous encourage à creuser davantage et à vous faire votre propre opinion!

Images utilisées avec l’aimable autorisation de Pexels/João Jesus.

Cet article est republié depuis The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.