Dualité ondes corpuscules

Certains phénomènes ne peuvent être expliqués complètement qu'en prenant en compte leurs caractéristiques ondulatoires et particulaires.

Ces deux phénomènes ne s'opposent pas, ils sont complémentaires. En pratique, l'étude du phénomène ondulatoire correspond à l'étude du flux de particules, et, l'aspect corpusculaire celui d'une particule en particulier constituant ce flux.

La lumière en est l'exemple le plus connu. Il n'est pas donc pas possible de considérer la lumière comme un phénomène purement ondulatoire ou particulaire, chaque description n'est pas complète sans l'autre.

En fonction des phénomènes étudiés, il est possible de ne considérer que l'un ou l'autre de ces aspects.

L'aspect ondulatoire de la lumière

Jusqu'au début du XXeme siècle, il fut tenu pour acquis que la lumière était une onde. Les arguments en faveur de la nature ondulatoire de la lumière étaient aussi bien théoriques que pratiques :

  • James Clerk Maxwell (physicien et mathématicien écossais) démontra, grâce aux équations qui portent son nom, que la lumière était une onde électromagnétique.
  • De nombreux phénomènes tels que les interférences et la diffraction ne peuvent être expliqués que si la lumière est une onde.

Ainsi, comme toute onde, la lumière est défini par une célérité, une longueur d'onde, un période et donc une fréquence.

La lumière correspond aux ondes électromagnétiques de longueurs d'ondes visibles par l’œil humain. La couleur perçue par l’œil dépend de cette longueur d'onde.

Qu'est ce que l'aspect ondulatoire de la lumière ? l'aspect ondulatoire de la lumière est à l'origine de phénomènes d'interférences.

L'aspect particulaire de la lumière

Au début du XXeme siècle, l'étude des interactions de la lumière avec la matière conduit à découvrir un certains nombre de phénomènes qui ne peuvent pas être expliqués par sa nature ondulatoire.

En particulier l'effet photoélectrique (émission d'électrons par une matière exposée à une lumière ou un autre rayonnement électromagnétique) fût interprété par Einstein.

Il fit l'hypothèse que l'énergie de la lumière est quantifiée et que chaque quanta d'énergie est associée à une particule de lumière qui fut nommée "photon".

Ainsi, certains phénomènes nécessitent de considérer que la lumière est composée d'un flux de photons.

L'aspect corpusculaire de la lumière explique sa faculté à se propager dans le vide, ce qui n'est pas le cas d'une onde mécanique (déplacement de la déformation de la matière uniquement, pas de propagation dans l'espace).

Qu'est ce qu'un photon ?

Un photon correspond à un quantum d'énergie électromagnétique qui présente des caractéristiques particulaires. C'est à dire qu'ils sont capables d’interagir avec d'autres particules élémentaires.

Cependant, à la différence de nombreuses particules élémentaires, il n'a pas de masse.

Qu'est-ce qu'un photon ? Représentation artistique de photons.

 

L’énergie déployée par un photon est caractérisée de la manière suivante :  

    \[E = h\nu=\frac{hc}{\lambda}\]

  • E est l'énergie en joules
  • h, la constante de Planck en 6.63.10-34 J.s
  • ν, la fréquence de l'onde en hertz
  • c est la célérité de la lumière en m.s-1
  • λ, la longueur d'onde en m.

Ainsi, l'énergie d'un photon est inversement proportionnelle à sa longueur d'onde. Plus la longueur d'onde est faible plus l'énergie est grande. Ainsi un rayonnement rouge est moins énergétique qu'un rayonnement violet.

Historique de la description de la lumière

Dès le XVIe siècle les savants étudiant la lumière se disputent deux théories qu'ils pensent opposées :

  • La lumière est un phénomène ondulatoire. Cette thèse est défendue par Christian Huygens (mathématicien, astronome et physicien néerlandais). Théorie qu'il publia dans le traité de la lumière.
  • La lumière est un phénomène corpusculaire. Cette théorie proposée pour la première fois par Pierre Gassendi (mathématicien, philosophe et astronome français) au début du XVIe siècle et très fortement défendue par Isaac Newton (philosophe, mathématicien, physicien, alchimiste, astronome anglais).

Du fait de la grande renommée de Newton, la théorie corpusculaire fut alors privilégiée par le monde scientifique de l'époque pendant environ un siècle. Cependant devant l'incapacité de la théorie corpusculaire à expliquer les phénomènes de diffraction, d'interférences ou encore de polarisation, cette théorie fut mise de coté au profit de la description ondulatoire proposée par Huygens.

Cette théorie est renforcée par les travaux de Thomas Young (physicien et médecin britannique) sur la diffraction et interférences de la lumière (fentes de Young), ainsi que les travaux d'Augustin Fresnel (ingénieur et physicien français) sur la polarisation de la lumière.

Ce n'est qu'à la fin du XVIe siècle que Maxwell démontre formellement les caractéristiques ondulatoire de la lumière.

La théorie corpusculaire jusqu'alors mise de coté, est finalement revalorisée par Albert Einstein (physicien théoricien d'origine allemande) grâce aux connaissances en physique quantique notamment. Ce n'est qu'à ce moment là, finalement assez récemment, que le monde scientifique reconnait la dualité onde corpuscule de la lumière.

Comment quantifier la lumière ?

Les caractéristiques de l'onde lumineuse sont étudiées en optique géométrique et ondulatoire. La photométrie, quant à elle, s’attelle à la caractérisation de l'intensité lumineuse.

flux lumineux

Le flux lumineux est la quantité de lumière émise dans toute les directions de l'espace. L'unité de mesure qui le caractérise est le lumen. Ces unités sont utilisées pour caractériser le flux lumineux émis par une ampoule par exemple.

Quantité de lumière

Cela correspond à un flux lumineux détecté par l’œil par unité de temps. Son unité est donc le lumen seconde (lm.s).

Elle tient compte de la sensibilité de l’œil qui diffère selon la longueur d'onde. Elle correspond à un nombre de photon sauf que les photons ne sont pas équivalents suivant leur longueur d'onde.

Certaines longueurs d'ondes sont vues plus intensément que d'autres (l’œil humain est très sensible aux longueurs d'ondes vert-jaune), et certaines pas du tout (infrarouge, ultraviolets....).

Intensité lumineuse

L'intensité lumineuse est la quantité de lumière perçue par l’œil dans une direction donnée. De la même manière que la quantité de lumière, sa mesure tient compte de la sensibilité de l’œil. Elle s'exprime en candela qui est une unité du système international, ce qui n'est pas le cas des autres unités exposées ici.

Une bougie éclaire avec une intensité horizontale d'environ 1 candela.

Éclairement

L'éclairement correspond au flux lumineux par unité de surface. Il se mesure lux. C'est l'unité de référence en photographie par exemple.

Voici quelques exemple d'éclairement :

Sensibilité d'une caméraPleine luneEclairage de nuitEclairage intérieurLaboratoireExtérieur- temps grisPlein soleil
0.001 lux0.5 lux20-70 lux200-400 lux800 lux500-25000 lux50000-100000 lux

Luminance

Il s'agit de la lumière réémise par une source secondaire (la lune reflétant la lumière du soleil par exemple) de surface donnée. Elle est mesurée en candela.m-2

Les détecteurs de lumière

Si l'optique géométrique est basée sur les caractéristiques ondulatoires de la lumière, la détection de celle-ci, est basées sur la conversion de l'énergie photonique en une grandeur facilement mesurable en physique (énergie électrique par exemple).

Certains détecteurs utilisent ces deux aspect (optique et photométrie) pour détecter une image contrastée, tel que l’œil humain ou l'appareil photographique. En effet, la position de chaque flux lumineux est respectée grâce à des système de lentilles (cornée et cristallin pour l’œil), tandis que les contrastes sont dus aux différentes intensités lumineuses détectées.

D'autres type de photodétecteurs son uniquement sensibles à l'intensité lumineuse, concentrée en un point (détecteurs photoélectriques).

L’œil humain

L’œil humain est capable de détecter la lumière grâce aux protéines, appelées opsines, contenues dans des cellules photo réceptrices. Ces protéines sont liées à une molécule chromophore, le rétinal, qui réagi à l'énergie lumineuse (photons).

L’œil humain est sensible aux longueurs d'onde de 400 à 800 nm des ondes électromagnétiques. Cependant, pour ces longueurs ondes, la sensibilité de l’œil humain n'est pas équivalente. A luminosité optimale, l’œil est plus sensible à 555 nm, ce qui correspond aux colorations jaune-vert.

Par contre dans un contexte de déficit de luminosité, dans la pénombre par exemple, l’œil humain n'est plus capable de détecter correctement les couleurs car sa photosensibilité est décalée vers les longueurs d'onde du bleu.

Qu'elle est la différence de sensibilité de l'oeil humain en fonction de la luminosité ? Cerf en vision nocturne. Les couleurs perçue par l’œil sont différentes de la vision diurnes.

L'appareil photographique classique

La photographie est basée sur la détection de l'intensité lumineuse en tout point de l'espace, suivi de sa retranscription sur un support photosensible en raison des propriétés photochimiques de ce dernier (sensibilité différentes suivant l'intensité lumineuse). Cela signifie que les photons incidents modifient la surface de manière à "imprimer" l'image prise en photo en fonction de l'intensité lumineuse en chaque point de l'espace.

Les capteurs photoélectriques

Ces capteurs sont basés sur leur capacité à transformer l'énergie lumineuse en énergie électrique, c'est à dire qu'ils utilisent la capacité d'un photon à créer des électrons dans un milieu particulier. C'est ensuite le courant électrique crée, proportionnel au flux de photon, qui est mesuré.

Le capteur le plus connus est le capteur CCD. Ce dernier est constitué d'un milieu semi-conducteur qui permet la production lors de la réception de photons incidents. Le nombre d'électrons produit est alors mesuré à l'aide d'un voltmètre.

Ce type de capteurs, à l'aide de filtres restituant la couleur, sont très utilisés en photographie numérique. Les données électriques obtenues sont ensuite "reconstruites" en image en attribuant l'intensité et la couleur correspondantes à chaque pixel.

Ce type de capteur est également utilisé pour les appareils de mesure de l'intensité lumineuse, tel que le luxmètre.

Utilisation de l'énergie lumineuse

Energie photovoltaïque

Les cellules photovoltaïques, à la manière des capteurs CCD, produisent des électrons lorsqu'ils rencontrent des photons. Le courant électrique ainsi produit n'est pas mesuré, mais stocké afin de le réinjecter ensuite dans le réseau national électrique.

Photosynthèse

L'énergie lumineuse est indispensable à la vie terrestre (certains écosystèmes dans les profondeurs océaniques peuvent se passer de lumière). En effet, cette dernière est indispensable à la photosynthèse végétale, qui permet de synthétiser de la matière organique à partir du dioxyde de carbone, d'eau et de lumière.

En effet, l'énergie lumineuse permet la production d'électrons à partir de ces molécules, ce qui leur permet de réagir l'une sur l'autre, selon une réaction d'oxydoréduction.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).

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