Aspect corpusculaire de la lumière ; dualité onde-corpuscule - TL

 

Le modèle ondulatoire de la lumière explique bien les phénomènes de la diffraction et d'interférences lumineuses.

 

Mais d'autres découvertes, comme le spectre lumineux et l'effet photoélectrique ont montré l'insuffisance de la théorie ondulatoire de la lumière. 

 

On est amené à faire appel au modèle corpusculaire de la lumière

 

 

Une lame de zinc fraichement décapée est placée sur un électroscope.

 

On éclaire cette plaque à l'aide d'une lampe à vapeur de mercure dont la caractéristique est d'émettre un rayonnement riche en radiations ultra-violettes.

 

L'électroscope chargé négativement se décharge progressivement (1).

 

En introduisant une plaque de verre, absorbant les radiations ultra-violettes $UV$ mais transparente aux radiations visibles, l'électroscope reste chargé même après une illumination prolongée (2).                                                                  

Les électrons en excès sur la lame de $Zn$ sont arrachés au métal : c'est l'effet photoélectrique.

 

Cet effet ne se produit pas pour des rayonnements peu énergétiques comme la lumière visible (grandes longueurs d'onde) mais qu'avec les $UV$ (longueurs d'onde plus petites)

 

Une illumination prolongée de lumière visible ne permet pas d'« accumuler de l'énergie » pour extraire les électrons (contrairement à une succession de vagues qui pourraient finir par « casser une digue »). 

 

Ce phénomène, appelé photoélectrique, peut être observé avec d'autres métaux soumis à d'autres rayonnements.

 

De manière générale, on appelle effet photoélectrique, l'émission d'électrons par des métaux convenablement éclairés

En $1905$, Albert Einstein, pour expliquer l'effet photoélectrique, attribua une structure corpusculaire au rayonnement lumineux lui-même. 

 

Selon lui, tout rayonnement répartit son énergie sur un ensemble de particules élémentaires appelées photons (grains de photons ou grains de lumière)transportant chacun un quantum d'énergie, dont la valeur est proportionnelle à la fréquence qui lui est associée. 

 

Un photon est une particule qui possède une masse nulle, qui n'a pas de charge électrique se déplaçant en permanence à la vitesse de la lumière.

 

Une lumière de fréquence ν est constituée de grains d'énergie : constante

$$\boxed{E=hv\quad\text{ou}\quad E=\dfrac{hc}{\lambda}}$$

 

$E$ en joules $(J)$

 

 

Selon Einstein, l'absorption d'un photon, permettait d'expliquer parfaitement l'effet photoélectrique. 

 

Les photons de la source lumineuse possèdent une énergie caractéristique déterminée par la fréquence de la lumière. 

 

Lorsqu'un électron du matériau absorbe un photon et que l'énergie de celui-ci est suffisante, l'électron est éjecté; sinon l'électron ne peut s'échapper du matériau.

Une masse métallique est formée d'ions positifs disposés de façon régulière entre circulent les électrons. 

 

Ces électrons restent dans la masse métallique liés aux réseaux d'ions. 

 

Un électron ne peut sortir de la masse métallique que s'il acquiert une énergie minimale $E_{0}$ dite énergie d'extraction $$\boxed{E_{0}=hv_{0}=\dfrac{hc}{\lambda_{0}}}$$

 

$v_{0}$ est la fréquence seuil caractéristique du métal ;

 

$\lambda_{0}$ Est la longueur d'onde seuil caractéristique du métal.

 

Si le photon incident a une énergie supérieure à l'énergie d'extraction (ou travail d'extraction), le surplus d'énergie se trouve sous forme d'énergie cinétique pour l'électron

 

$\begin{array}{rcl} E_{c}=E-E_{0}\\&\Rightarrow&\boxed{E_{c}=h\left(v-v_{0}\right)}\\&\text{ou}&\boxed{E_{c}=hc\left(\dfrac{1}{\lambda}-\dfrac{1}{\lambda_{0}}\right)} \end{array}$

Le soleil est une source d'énergie inépuisable, l'exploitation de son rayonnement pour produire de l'électricité a été possible par la compréhension de l'effet photoélectrique : un panneau photovoltaïque convertit une partie de l'énergie lumineuse du soleil en énergie électrique

La lumière se présente sous aspects :

 

$-\ $un aspect corpusculaire où la lumière est formée de corpuscules appelés photons animés de la célérité de la lumière et transportant un quantum d'énergie

 

$-\ $un aspect ondulatoire où la lumière est considérée comme un phénomène vibratoire se propageant par onde

 

(La lumière a un comportement double : selon les circonstances, elle se comporte comme une onde ou comme un faisceau de particules .On parle de dualité onde-corpuscule)