la lumière, un corps?

[invite57e4f988]

Bonjour physiciens et physiciennes,

Après avoir rapidement fait une recherche sur le forum, je ne trouve pas les expériences qui prouvent la dualité onde-particule de la lumière, sujet pourtant souvent ouvert. Alors j'ai trouvé sur google, les effets qui sont en faveur du côté corpusculaire de la lumière :

*l’effet Compton (collision élastique lumière-matière),
* le rayonnement du corps noir (variation avec la longueur d’onde du flux lumineux émis par les corps),
* l’effet photoélectrique (extraction des électrons d’un métal par une onde électromagnétique),
* les spectres de raies (émission de lumière par les atomes gazeux et, en particulier, par l’atome d’Hydrogène),
* l’expérience de Franck et Hertz (pertes d’énergie subies par des électrons accélérés à la suite de collisions avec les atomes d’un gaz),
mettent en évidence le caractère corpusculaire de la lumière.

Ceux pour l'onde étant plus connus (trous d'Young, etc.)



Je ne connais pas tous ces phénomènes, alors la question :
En quoi ces effets prouvent-ils le côté particulaire de la lumière?

Et encore une autre : La photon (particule transmettant l'énergie lumineuse) ne pourrait-il pas être que le résultat ondulatoire dans une moyenne de temps que nos détecteurs ne puissent détecter?
Ainsi cela expliquerait pourquoi le graviton est si difficile à détecter.
(Le phonon étant une particule virtuele véhiculant l'énergie acoustique, pourquoi n'en serait-il pas de même pour le reste?)
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[invite79a98872]

Je réfléchi au sujet c'est vrai que la dualité onde-corpuscule n'est pas évidente.

Par contre, pour le phonon ce n'est pas du tout la même chose. Le photon est le messager de l'interaction électromagnétique (il ne fait pas que transporter de l'énergie mais il est responsable d'une interaction). Le phonon est un mode de vibration du cristal, c'est un déplacement local des atomes dans le réseau d'atomes. Ce n'est donc pas une particule. Sans ce réseau pas de phonon, alors que le photon peut se propager dans le vide.

Je ne sais pas si j'arrive à me faire comprendre mais c'est comme ça que je vois la différence.

[invite57e4f988]

Ok pour le phonon.

Mais pour le thème principal?

[invite79a98872]

Je ne comprends pas bien tes exemples, enfin je ne vois pas non plus comment affirmer qu'elles impliquent la nature corpusculaires. Mais est ce que tous ces phénomènes ne peuvent pas s'expliquer par la physique des ondes et par la physique des particules, je n'en suis pas sûr.

Je ne vois pas comment expliquer l'effet Compton autrement que par la cinématique et la conservation du 4-vecteur énergie-impulsion (mais je me trompe peut-être). Idem pour l'effet photoélectrique.

Pour le rayonnement du corps noir, il a fallu introduire un quantum d'énergie : le photon pour eviter la catastrophe de l'UV.

Là je ne prétends pas répondre il faut que j'y réfléchisse un plus, mais ça donnera peut-être des pistes.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitec3f4db3a]

ah je fais un tpe la dessus , donc je commence a maitriser le sujet :
Voyons si mes connaissances sont correcte :


On peux en effet distinguer deux natures a la lumiére : une corpusculaire ,et une ondulatoire .
Les fentes de young montrent un shéma d'interférence propre aux ondes que la lumiére reproduit ( un flux d'electrons aussi d'ailleur ) ce qui tends a prouver que la lumiére est une onde . Les propagations dans des milieux différents sont tres bien expliqué et décrit par la mécanique ondulatoire ( difraction , refraction, , descartes & co ) .
Par contre , il existe un probleme de nature théorique concernant le caractére ondulatoire de la lumiére .
En effet , dans le cas d'une lumiére uniqumenet ondulatoire , l'energie de rayonement des corps noirs ( obêïsant aux équation de maxwell ) deverait tendre vers l'infinit en fonction de la longueurs d'onde ( une fonction exponentielle ) . Or l'experience nous montre qu'il y a un pic puis que pour les grandes longueurs d'onde ca redescant . Ce phénomene fut expliqué par Max planck , en introduisant la notion de transfert d'nergie par quanta , obéissant a la relation de planck E=hw ou h est la constante de planck et w la fréquence de l'onde étudie ( E represente alors l'énergie d'un quantat ).
il existe une autre "preuve" de la nature corpusculaire de la lumiére : l'effet photoelectrique , a été découvert par Hertz : On découvre alors qu'un champs éléctrique est créer quand une lumiére d'une certaine longueur d'onde ( petite ) est envoyez sur du métal . Or , l'intensité de la lumiére ne change pas l'intensité du courant , seul la longueur d'onde influe sur le courant .
La seul reponse apporter fut celle d'einstein en 1905 , qui introduit a l'aide de la relation de planck , la notion de photon , est décrit ainsi le phénoméne corpusculaire de la lumiére .

Du coup la lumiére est corpusculaire dans certaine situation et est ondulatoire dans l'autre . Elle est soit l'un soit l'autre selon la maniére dont on la regarde , mais sa nature profonde est inconnue . Elle est surement en réalité ni l'un ni l'autre .

[invite79a98872]

Je voudrais juste préciser que je crois que l'expérience des fentes d'Young s'explique aussi en MQ avec les photons. Si je me rappelle bien mes vieilles lectures il y a ça au début du Cohen-Tanoudji.
A vérifier.

[invitec3f4db3a]

Oui , je l'ai vu aussi , mais ou peut etre dans le berkson ?

[invite57e4f988]

Bien, bien, ...

Alors si je devais faire l'argumentation de la non corpuscularité de la lumière, voilà ce que je dirais :
Le quanta n'est autre qu'un seuil propre à la matière. Tant que ce seuil n'est pas atteind, la matière ne "perçoit" pas la lumière et au delà, elle répond au stimuli lumière. A remarquer que ce phénomène est courant en biologie.
Ainsi le problème du quanta d'énergie est évité. Vous voyez un truc qui cloche du coup?

[PHENIXian]

Si tu veux une expérience qui explique bien la dualité onde-particule de la lumière tu pourrais aussi considérer la pression de radiation des photons, qui est à l'origine des voiles solaires :

Tu peux montrer par un calcul du type modèle du gaz parfait (bilan de quantité de mouvement) que si tu éclaires une surface avec de la lumière, celle ci subit une force qui la repousse.

Le point important est que ce calcul peut se faire de 2 manières :
* En considérant la lumière comme une onde
* en considérant la lumière comme des "grains" déposant leur énergie

Et le résultat final est le même

Par contre j'avoue ne plus me rappeller le premier calcul

[invite57e4f988]

Bien justement si l'une des deux démos suffit, pourquoi s'encombrer de deux dans la théorie. En pratique, je vois!

Pour revenir sur le "seuil" que j'ai utilisé, on peut aussi dire qu'il s'agit d'un phénomène intrinsèque à la nature de la matière et que celle ci ne répond que par quanta parce qu'elle ne détecte pas de manière flou! (comme le numérique/analogique)

[invite57e4f988]

Bon alors où sont-elles ces démonstrations de la corpuscularité de la lumière?

[deep_turtle]

Plusieurs phénomènes qui me viennent à l'esprit :

Quand éclaire un détecteur de lumière avec une faible intensité lumineuse, on observe des détections coup par coup, on détecte les photons un par un.

Le rayonnement du corps noir se se comprend que si la lumière présente un aspect corpusculaire.

L'effet Compton, interaction entre un électron et la lumière, indique clairement que la lumière monochromatique est composée d'éléments d'énergie et quantité de mouvement fixées. Pas d'effet de seuil ici, pour répondre à ton objection (légitime, au demeurant...).

[invite57e4f988]

Enfin une réponse qui essaye de répondre à mon pb. Je te remercie d'avance pour ça!

Pour le détecteur qui mesure des accoup, je ne crois pas que ce soit possible, le temps de réponse d'un détecteur ne peut pas rivaliser avec des photons. (je me trompe?). Qu'est-ce qui réfute le fait que ce ne soit pas une onde, qui en faisant osciller le détecteur en le percutant génère ces soubre-sauts?

Je ne connais pas le corps noir, tu pourrais m'éclaircir (sans jeu de mot)?
Je crois qu'il faut que je te demande la même chose pour l'effet Compton!

[deep_turtle]

Pour le détecteur qui mesure des accoup, je ne crois pas que ce soit possible, le temps de réponse d'un détecteur ne peut pas rivaliser avec des photons. (je me trompe?).

Pour les intensités très faibles, le temps moyen entre l'arrivée de deux photons est suffisamment faible pour qu'on les détecte un par un, c'est très bien observé et très bien documente.

Qu'est-ce qui réfute le fait que ce ne soit pas une onde, qui en faisant osciller le détecteur en le percutant génère ces soubre-sauts?

On peut en effet trouver des explications de ce type dans la littérature, pour cet effet particulier, en invoquant encore un effet de seuil.

Je ne connais pas le corps noir, tu pourrais m'éclaircir (sans jeu de mot)?

Je te dirige vers l'outil "Recherche" du forum plutôt que de me creuser la tête à réexpliquer en moins bien ce qui a été fait ailleurs. Râle si tu ne trouves pas...

Je crois qu'il faut que je te demande la même chose pour l'effet Compton!

Quand un photon interagit avec un électron, il peut se produire une collision lors de laquelle l'électron est bousculé dans une direction et le photon est dévié dans une autre. Du coup, le photon perd de l'énergie et sa fréquence chqnge. La relation entre le changement de fréquence, la direction finale du photon et celle de l'électron montre qu'il s'agit bien d'une collision entre un corpuscule et une particule.

[invite57e4f988]

Puisque l'électron et le photon sont considérés comme ponctuels ou ondulants, ils ont même nature.

Quel formule prouve qu'il sagit bien de particule?
Comment est défini une particule mathématiqument?

Pour le corps noir, je "Râlerais" un autre jour (sans inspiration)!

[Rodeon]

Le rayonnement du corps noir se se comprend que si la lumière présente un aspect corpusculaire..

Je ne suis pas d'accord, le problème du corps noir à lui seul n'implique pas la nature corpusculaire de la lumière. Seul la quantification de l'énergie émise ou absorbée compte!! (En=nh.f) La résolution de ce problème necessite que l'énergie transportée par les ondes électrogmagnétique soit quantifiée. Mais on parle toujours d'onde et pas de particule.

Le problème du corps noir ne prouve donc pas l'aspect corpusculaire de la lumière.

Historiquement, c'est l'éffet photo électrique puis l'effet compton qui ont mis en évidence le caractère particulaire de la lumière. En effet pour ces problèmes on ne peut raisonner avec des champs électriques et magnétiques (ondes) mais avec "des boules de billards" (on utilse alors la mécanique des chocs élastiques ou non élestiques")

[deep_turtle]

Je ne suis pas d'accord, le problème du corps noir à lui seul n'implique pas la nature corpusculaire de la lumière.

En effet, j'aurais dû être plus nuancé dans ma phrase, merci de me corriger.

[invite57e4f988]

Ca se réduit...
Reste donc l'effet Compton et photo-électrique.

L'électron est-il considérer comme un particule dans ces cas?
Quel est le principale différence entre l'électron et le photon du point de vue corpusculaire.
C'est quoi une particule pour un mathématicien?
(désolé pour la redite!)

[deep_turtle]

Dans le principe, ni l'électron ni le photon n'est un corpuscule, ni une onde, c'est une particule, c'est-à-dire un objet de nature quantique.

Maintenant, dans pas mal de situations l'électron a tendance à nous montrer un comportement plutôt corpusculaire, et la lumière plutôt ondulatoire. La question de savoir pourquoi est intéressante mais peut mener assez loin... ALlons-y, donc, on a le temps et la place, et on est là pour ça !

Les deux différences essentielles entre électrons et photons sont les suivantes :

1. l'électron est un fermion, le photon est un boson
2. L'électron a une masse de 511 keV, le photon est sans masse (laissons de côté la possibilité qu'il ait une masse minuscule, ça ne changerait pas grand-chose ici)

A cause du point 1, les électrons ne peuvent pas s'entasser dans le même état alors que les photons le peuvent. Du coup, les photons peuvent former une onde "macroscopique" (des "états cohérents"), qui se manifeste comme une onde électromagnétique, facilement détectable. Ce n'est pas le cas pour l'électron.

A cause du point 2, un électron ne peut être "créé" que par des phénomènes très énergétiques (dépassant le double de l'énergie de masse). Par contre, le photon peut être créé à n'importe quelle énergie, même par une pauvre petite oscillation de courant dans une antenne...

A cause du point 2 encore, la longueur d'onde typique de la fonction d'onde de l'électron est très petite, beaucoup plus petite que celle des photons dans la gamme du visible, et les efftes ondulatoires sont plus difficiles à voir...

Pour finir, il faut noter que les photons de haute énergie ressemblent plus à des particules, comme les électrons, que les photons de basse énergie...

[Rodeon]

Tu oublies de parler du fait q'un photon est constitué d'un électron et d'un anti-électron!

Quid alors de la différence entre électron et photon?

[Rodeon]

Ca se réduit...
Reste donc l'effet Compton et photo-électrique.

L'électron est-il considérer comme un particule dans ces cas?
Quel est le principale différence entre l'électron et le photon du point de vue corpusculaire.
C'est quoi une particule pour un mathématicien?
(désolé pour la redite!)

Une particule est une entité a qui ont peut appliquer les lois de la mécanique (Newton et relat).
Une onde électromagnétique est traité avec la théorie de Maxwell.

Les deux types de caractères (ondes et particules) correspondent donc à deux cadres mathématiques différents et à des observations expérimantales différentes (choc de boules de billard pour les particules et figure d'interférence pour le ondes)

[deep_turtle]

Tu oublies de parler du fait q'un photon est constitué d'un électron et d'un anti-électron

Pas du tout ! Le photon est bien une particule élémentaire. La théorie des champs nous montre que le photon peut donner naissance à une paire électron-positron, dans certaines conditions, mais ça ne veut pas dire que ces particules étaient présentes dans le photon... C'est une grande subtilité de la notion d'élémentarité...

Une particule est une entité a qui ont peut appliquer les lois de la mécanique (Newton et relat).
Une onde électromagnétique est traité avec la théorie de Maxwell.

Bon, sur ce point la terminologie est un peu floue. Certains réservent le mot "particule" pour les objets quantiques, et opposent "corpuscule" à "onde", le premier correspondant à "une entité a qui ont peut appliquer les lois de la mécanique"...

[invite57e4f988]

A cause du point 1, les électrons ne peuvent pas s'entasser dans le même état alors que les photons le peuvent. Du coup, les photons peuvent former une onde "macroscopique" (des "états cohérents"), qui se manifeste comme une onde électromagnétique, facilement détectable. Ce n'est pas le cas pour l'électron.

Ce qui donne naissance aux lasers!

Mais le laser de matière est recherché. Alors qu'est ce qui est corrélé dans ce laser?

Il y a aussi les expériences de je sais plus qui (faudrait que je fouille les bouquins... d'autres s'en rappelleront) qui fait interféré des molécules énormes (jusqu'au fullerène!). Ce qui n'est possible que sous la forme d'onde. (Bon d'accord, dans de conditions particulières)

Alors l'électron qui ne fait pas d'interférence, j'ai du mal à y croire... (je qui ne veux pas dire que j'ai raison!)




Encore une chose : Un électron est-il "observable" autrement que par sa probabilité de présence? Autrement dit localement! (je pense pas vu que certaines théories le classe dans la catégorie ponctuel, mais bon.)

[deep_turtle]

Alors l'électron qui ne fait pas d'interférence, j'ai du mal à y croire... (je qui ne veux pas dire que j'ai raison!)

J'ai écrit qu'ils ne pouvaient pas former une onde "macroscopique", pas qu'ils ne pouvaient pas interférer. Tu as raison, ils le peuvent, mais c'est toujours la fonction d'onde d'un électron avec elle-même qui interfère, alors que dans le cas de la lumière on peut faire interférer plein de photons s'ils sont dans le même état.

[Makalu]

Bonsoir,

Les électrons sont des fermions mais dans certaines circonstances ils peuvent s'associer en paires. Ces paires se comportent alors comme des bosons! D'après ce qu'a écrit Deep_turtle cela signifie que ces paires d'électrons peuvent former un état macroscopique cohérent. C'est ce phénomène d'appariement qui permet d'expliquer la supraconductivité de certains matériaux en dessous d'une température critique. Il est aussi possible de former des paires d'autres fermions que des électrons, comme des atomes d'hélium 3.

[invite57e4f988]

Bon alors qu'est ce qui prouve (par a+b) qui la lumière est bien une corpuscule.

Pour le quanta d'énergie, au lieu de chercher dans la lumière, ça ne pourrait pas être du à la matière elle-même?

[Rodeon]

On ne démontre pas cela par a+b, c'est l'expérience physique qui le montre (effet phoélectrique, et compton et d'autres) voilà c'est tout.
Que veux tu savoir de plus?

[Rodeon]

Pour le quanta d'énergie, au lieu de chercher dans la lumière, ça ne pourrait pas être du à la matière elle-même?

La quantication de l'énergie n'est pas propre à la lumière! A trés petite échelle l'énergie est quantifié par paquets (le quantum d'énergie). Cela est valable pour l'énergie des électrons, des protons, des neutrons, la des photon, des phonons etc.
A trés petite échelle l'enegie d'aun système physique est quantifié. c'est tout.

[invite57e4f988]

Oui mais comme pour "observer" un phénomène quantique, on est obligé de rusé et au final de faire une expérience tout de même macro ou microscopique, ...
Ouais bon, c'est une théorie, elle marche alors tant mieux.

[invite79a98872]

Bonsoir,

Les électrons sont des fermions mais dans certaines circonstances ils peuvent s'associer en paires. Ces paires se comportent alors comme des bosons! D'après ce qu'a écrit Deep_turtle cela signifie que ces paires d'électrons peuvent former un état macroscopique cohérent. C'est ce phénomène d'appariement qui permet d'expliquer la supraconductivité de certains matériaux en dessous d'une température critique. Il est aussi possible de former des paires d'autres fermions que des électrons, comme des atomes d'hélium 3.

Les paires de Cooper dont tu parles sont dues à une interaction entre les phonons du réseau cristallin et deux électrons. Est-ce que cela est un état cohérent macroscopique ? Je n'en suis pas sûr, en plus je ne vois pas vraiment un rapprochement avec un faisceau laser. On forme une paire virtuelle qui n'est pas une particule à proprement dit.

Enfin pour en revenir au sujet principal, j'aime bien l'explication de deep_turtle : une particule n'est ni une onde ni un corpuscule mais peut se manifester comme l'un ou l'autre. C'est courant en mécanique quantique : par une mesure on cherche à déterminer le système mais en faisant cela on a perturbé le système. Je pense qu'on ne peut donc pas expliquer plus.

Enfin je ne sais pas si mon intervention est utile, mais je crois que c'est ce qu'il faut retenir.