Fentes de Young : énergie, largeur des fentes, etc...

[curiossss]

Bonjour,

L'expérience des fentes de Young est une des plus intéressantes qui soient en physique. Du coup de reviens encore dessus avec quelques questions :

On interprète les interférences par : "le photon est passé par les deux fentes à la fois et a ensuite interféré avec lui-même pour donner lieu aux interférences visibles à l'écran".

D'où les questions suivantes :

- L'énergie du photon a été répartie entre les deux fentes ? C'est à dire : si on intercepte un des chemins, on n'aura pas de figure d'interférences à l'écran, mais on aura perdu la moitié de l'intensité (comparée à l'intensité mesurée dans le cas d'une seule fente) ?
Si la réponse est oui s'il perd la moitié de son énergie on a constaté qu'il double sa longueur d'onde...?)

- Est-ce que si on met un filtre polarisant avant les deux fentes, et qu'on répète l'expérience en faisant tourner le filtre de façon à avoir une lumière polarisée sous des angles différents avant les deux fentes, il y a t-il des changements observables à l'écran ?

- La longueur d'onde des photons doit être supérieure à la largeur des fentes ? (je crois avoir compris que oui, à confirmer)
- Que se passe-t-il si la longueur d'onde des photons est très inférieure à la largeur des bandes (style rayons X) ? (à priori ni diffraction ni réfraction ?)

Merci pour tout renseignement
-----

[curiossss]

PS :
Dans mes questions je viens de remarquer que j'ai supposé que si l'énergie d'un seul photon est divisée par deux alors sa longueur d'onde a doublé. Mais son intensité (amplitude, nombre de quantas d'énergie transportés) peut être divisée par deux tout en gardant la même longueur d'onde. Exact ?

[gts2]

Est-ce que si on met un filtre polarisant avant les deux fentes, et qu'on répète l'expérience en faisant tourner le filtre de façon à avoir une lumière polarisée sous des angles différents avant les deux fentes, il y a t-il des changements observables à l'écran ?

Oui, la lumière polarisée rectilignement selon x interfère avec la lumière polarisée selon x, pas avec celle selon y.

La longueur d'onde des photons doit être supérieure à la largeur des fentes ? (je crois avoir compris que oui, à confirmer)

A priori non. Mais quand on diminue la taille des trous, il passe de moins en moins de lumière.

Que se passe-t-il si la longueur d'onde des photons est très inférieure à la largeur des bandes (style rayons X) ? (à priori ni diffraction ni réfraction ?)

La réfraction c'est autre chose, mais en effet pas de diffraction, on est en optique géométrique.

[curiossss]

La réfraction c'est autre chose, mais en effet pas de diffraction, on est en optique géométrique.

Désolé, je voulais dire : "ni diffraction ni interférences ?"

Donc avec des longueurs d'onde bien inférieures à la largeur des fentes pas de diffraction. Mais des figures d'interférences ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[gts2]

Pour qu'il y ait interférences, il faut déjà que les deux chemins se rencontrent, et sans diffraction, les deux chemins sont séparés : on a deux taches distinctes.

[curiossss]

Merci pour tes réponses.

Pour qu'il y ait interférences, il faut déjà que les deux chemins se rencontrent, et sans diffraction, les deux chemins sont séparés : on a deux taches distinctes.

Exact.

Et pour ce qui est de l'intensité d'un photon qui passe par les deux fentes mais dont on intercepte l'une des moitiés ?

J'avais lu un dispositif expérimental de fentes de Young et si je me souviens bien la longueur d'onde de la lumière était bien supérieure à la largeur des fentes. Mais je cherchais une confirmation si c'est toujours le cas, ou si une longueur d'onde un peu inférieure à cette largueur suffit.

Pour la polarisation je me demandais si une polarisation dans le même sens que la fente étroite permettrait de le faire passer alors qu'une polarisation horizontale non ?

[coussin]

La longueur d'onde n'influe que sur la diffraction. Le fait que la lumière éclaire les 2 fentes dépend de la largeur du faisceau lumineux, qui n'a rien à voir avec la longueur d'onde.
Ensuite, si vous parlez d'un photon unique, l'intensité est quantifiée. C'est tout ou rien pour un quantum unique.

[gts2]

J'avais lu un dispositif expérimental de fentes de Young et si je me souviens bien la longueur d'onde de la lumière était bien supérieure à la largeur des fentes. Mais je cherchais une confirmation si c'est toujours le cas, ou si une longueur d'onde un peu inférieure à cette largueur suffit.

Avec des longueurs d'onde inférieures au micromètres dans le visible, il ne va passer grand chose dans un trou inférieure à cette taille, c'est un problème de luminosité.

Pour avoir de la luminosité, on mets plusieurs fentes (réseau), et là on peut se permettre des "fentes" très fines.

Pour la polarisation je me demandais si une polarisation dans le même sens que la fente étroite permettrait de le faire passer alors qu'une polarisation horizontale non ?

La polarisation n'est pas liée à la direction de la fente : dans une fente horizontale, on peut faire passer une polarisation verticale ou horizontale. Ceci dans les cas usuels, avec des grilles métalliques verticales, on peut laisser passer la polarisation horizontale et bloquer la verticale.

[curiossss]

La longueur d'onde n'influe que sur la diffraction. Le fait que la lumière éclaire les 2 fentes dépend de la largeur du faisceau lumineux, qui n'a rien à voir avec la longueur d'onde.
Ensuite, si vous parlez d'un photon unique, l'intensité est quantifiée. C'est tout ou rien pour un quantum unique.

Je me plaçais dans le cas du photon unique dont la longueur d'onde est inférieure à l'espacement des fentes. A propos, quelle peut être la largeur d'un faisceau d'un seul photon ?

La polarisation n'est pas liée à la direction de la fente : dans une fente horizontale, on peut faire passer une polarisation verticale ou horizontale. Ceci dans les cas usuels, avec des grilles métalliques verticales, on peut laisser passer la polarisation horizontale et bloquer la verticale.

Je pensais à un photon dont la longueur d'onde est plus grande que la largeur de la fente, et inférieure à la hauteur de la fente : en polarisation verticale il pourrait passer sans provoquer de diffraction, alors qu'avec une polarisation horizontale il y a diffraction ? C'est possible ? (au fond toujours le même souci : quelle est l'étendue spatiale d'un seul photon ?)

Pour l'intensité :
- Si on fait passer les photons un par un dans les 2 fentes pendant des heures jusqu'à ce que l'image devienne visible,
Puis on recommence l'expérience pendant le même nombre d'heures (même nombre de photons envoyés par la source) mais cette fois en plaçant un cache quelques centimètres après la seconde fente de façon à intercepter le passage de n'importe quel photon passant par cette fente,
alors normalement on n'obtient plus d'interférences, mais est-ce qu'on a perdu la moitié de l'intensité ? Image moins brillante ? Je ne sais pas si c'est mesurable... C'est important de savoir si la moitié de l'énergie du photon est passée par chaque fente,... ou pas.


La discussion sur un autre fil me fait poser la question suivante :
- Avec un photon unique, comme peut-il interférer avec lui-même sur l'écran, autrement que sur le point central ? Ailleurs sur l'écran les 2 parcours ont une longueur différente...


NB : considérez que je me place toujours dans la cas du photon unique. Sinon l'expérience de Young est moins intrigante.

[coussin]

considérez que je me place toujours dans la cas du photon unique. Sinon l'expérience de Young est moins intrigante.

Quelles sont pour vous les différences entre un photon unique et une onde électromagnétique ?
Pour moi, il n'y en a pas. Un photon unique est juste une configuration de champs EM telle que son énergie est ...
Non ?

[curiossss]

Bonne question !
On sait que l'énergie est quantifiée, donc le nombre de quantas dans un photon est un nombre fini.
Est-ce que l'étendue spatiale d'un photon doit être finie aussi ? Elle peut être très diffuse, mais infinie ? Si elle n'est pas infinie combien peut-être son étalement pour une énergie donnée ?

Ceci dit dans le cas des fentes de Young on est dans des petites distances. L'onde du photon unique peut largement déborder la distance entre les deux fentes et probablement oui sinon on voit mal comment il pourrait passer par les deux en même temps. Mais la question se pose (peut-être qu'en diminuant l'énergie du photon jusqu'à la réduire à 1 quanta il n'y aurait plus d'interférences mais on n'en sait rien car on ne sait pas le mesurer ?)

[coussin]

donc le nombre de quantas dans un photon est un nombre fini.

Un photon est un quantum. Un photon unique contient 1 quantum (c'est une lapalissade...)

[gts2]

Je pensais à un photon dont la longueur d'onde est plus grande que la largeur de la fente, et inférieure à la hauteur de la fente : en polarisation verticale il pourrait passer sans provoquer de diffraction, alors qu'avec une polarisation horizontale il y a diffraction ?

La diffraction sera identique selon la polarisation.

Avec un photon unique, comme peut-il interférer avec lui-même sur l'écran, autrement que sur le point central ? Ailleurs sur l'écran les 2 parcours ont une longueur différente...

Vous voulez dire interférence constructive, parce sinon il interfère partout.
En dehors du point central, il peut y avoir interférence constructive, il suffit que la différence de chemin soit multiple de la longueur d'onde.

Le cas du photon unique ne change malgré tout pas les résultats de l'optique.

[gts2]

(peut-être qu'en diminuant l'énergie du photon jusqu'à la réduire à 1 quanta il n'y aurait plus d'interférences mais on n'en sait rien car on ne sait pas le mesurer ?)

C'est le principe même des interférences à un photon, et les expériences sont nombreuses.
On ne diminue pas l'énergie d'un photon, on se "débrouille" pour n'avoir qu'un photon.

[curiossss]

Un photon est un quantum. Un photon unique contient 1 quantum (c'est une lapalissade...)

Je me suis mal exprimé.
Quand je parlais de quanta je pensais au quantum minimum d'énergie et je supposais qu'un unique photon d'une certaine longueur d'onde pouvait avoir un
nombre entier de quantum d'action divisé par deux lorsqu'il passe par deux fentes simultanément, en gardant sa longueur d'onde.
Aparemment ce n'est pas le cas ?

En dehors du point central, il peut y avoir interférence constructive, il suffit que la différence de chemin soit multiple de la longueur d'onde.

Encore une fois je me suis mal exprimé. Je reprends avec une image mentale :
Si on place la pointe d'un compas sur la source émettrice d'un photon unique, je trace des cercles concentriques à t , t+dt, t +2dt, etc... (je suppose que le photon
est étalé spatialement sur le périmètre du cercle, et que sur le périmètre.) à un moment le cercle va intersecter les deux fentes simultanément si la source est centrée par rapport aux fentes.
Là il y a sur chaque fente un phénomène de diffraction.

Ensuite on place la pointe du compas sur une fente et on trace un petit cercle, et on fait le même cercle en plaçant la pointe du compas sur l'autre fente.
Si les deux cercles s'intersectent, les seuls points d'interférence (constructive ou destructive peu importe) sont sur les intersections.
En agrandissant successivement le rayon des cercles dessinés il arrive un moment où les cercles vont intersecter l'écran.
Le seul endroit où les deux cercles vont à la fois s'intersecter entre eux et aussi avec l'écran, c'est un point au centre de l'écran.
Partout ailleurs sur l'écran il n'y aura jamais intersection de deux cercles avec le même rayon.

Donc juste comme ça je ne peux comprendre les figures d'interférence qui apparaissent à l'écran en me basant sur l'image mentale du photon qui passe par les deux fentes à la
fois puis interfère avec lui-même (c'est exactement ce que j'ai simulé avec le compas).

Avec un train d'ondes tout va bien, le train est composé de plusieurs photons émis à des temps légèrement différents, mais avec un seul photon passant
simultanément par les deux fentes je ne vois pas.

Maintenant si on suppose que lors de la diffraction le photon est légèrement ralenti, et ce d'autant plus que l'angle de diffraction est grand, alors on pourrait avec au chausse-pied
réussir à comprendre que les deux cercles puissent s'intercepter sur l'écran ailleurs qu'au centre.

C'est déjà mieux pour expliquer les figures d'interférence mais ce n'est pas fini... On a remplacé un mystère par d'autres mystères :

- Avec cet exemple on voit que le photon a échangé quelque-chose avec la matière (diffractions) à deux endroits physiquement distincts et distants l'un de l'autre :
un bord de la fente A et un bord de la fente B. Il ne s'est pas contenté d'être à deux endroits à la fois, il a aussi interagi avec la matière à deux endroits à la fois.
Et de plus avec pile-poil le bon décalage temporel pour que les deux cercles s'intersectent pile sur l'écran ! Fontiche ! (photon fortiche)

- Comment se fait-il que le photon ne s'effondre (effondrement de l'onde) sur l'écran qu'aux endroits où les deux cercles s'intersectent ? On aurait pu imaginer que
dès que l'un touche l'écran il y aurait tout de suite effondrement de l'onde sur ce point de 'contact'. Mais du coup on n'obtiendrait pas les figures d'interférence...
Alors comment se fesse ?

En conclusion, l'explication "Le photon est passé par les deux fentes à la fois" en plus d'être étonnante ne me fait pas avancer le schmilblick d'un yota


Ps : Effondrement d'onde, intrication, tout ça commence furieusement à avoir le même parfum...

[gts2]

Ensuite on place la pointe du compas sur une fente et on trace un petit cercle, et on fait le même cercle en plaçant la pointe du compas sur l'autre fente.
Si les deux cercles s'intersectent, les seuls points d'interférence (constructive ou destructive peu importe) sont sur les intersections.

Non ce ne sont pas les seuls points, il y a d'autres : ceux pour lesquels la différence de chemin est multiple de \lambda

mais avec un seul photon passant simultanément par les deux fentes je ne vois pas.

Un photon qui interfère avec lui-même, ce n'est pas une petite bille passant par deux endroits : je crois que votre problème est là.

[curiossss]

Non ce ne sont pas les seuls points, il y a d'autres : ceux pour lesquels la différence de chemin est multiple de \lambda

Il y a un hic là :
On est d'accord que l'onde a la forme d'un arc de cercle ?
On est d'accord que l'interférence entre deux arcs de cercles doit se situer sur les deux arcs de cercle (ça s'appelle une intersection) ?
Alors ?

Un photon qui interfère avec lui-même, ce n'est pas une petite bille passant par deux endroits : je crois que votre problème est là.

Je n'ai jamais parlé de bille. J'ai dessiné deux cercles dont le rayon s'agrandit avec le temps, pas deux billes ponctuelles...

[coussin]

https://wiki.anton-paar.com/fileadmi...periment/2.jpg

[bb98]

Bonjour

Alain Aspect expose de façon assez clair ces phénomènes à partir de 25 minutes ( on peut y aller directement)
dans cette conférence :

https://www.youtube.com/watch?v=_kGqkxQo-Tw

Bonne écoute

[gts2]

On est d'accord que l'onde a la forme d'un arc de cercle ?

les surfaces d'onde sont bien des cercles (dans le plan de la figure)

On est d'accord que l'interférence entre deux arcs de cercles doit se situer sur les deux arcs de cercle (ça s'appelle une intersection) ?

Non, je ne vois pas le rapport entre l'intersection des surfaces d'onde et les interférences.

J'ai dessiné deux cercles dont le rayon s'agrandit avec le temps, pas deux billes ponctuelles...

Ce qui sous-entend plus ou moins que le photon se trouve sur le cercle à l'instant t, c'est ce que j'appelle la "bille".

[coussin]

Les maximas de champ sont des cercles centrés sur les 2 fentes, oui. L'intersection de ces 2 cercles est une interférence constructive, oui. Mais vous avez raisonné sur l'intersection de 2 cercles de même rayon. Or, l'intersection d'un cercle de rayon R d'une fente et d'un cercle de rayon R+lambda de l'autre fente est aussi une interférence constructive. Et ainsi de suite...

[stefjm]

Ce qui sous-entend plus ou moins que le photon se trouve sur le cercle à l'instant t, c'est ce que j'appelle la "bille".

J'aime bien les "billes" en opposition de phase, surtout s'il n'y a qu'un photon à l'émission et à la réception.

[curiossss]

Coussin, ton image ne permet pas de facilement faire correspondre les cercles émis au même moment pour constater que, à part celles sur la ligne médiane, la majorité des intersections de cercles constructives sont en fait sur des cercles émis à des moments différents.
Additionner de façon constructive ou destructive des ondes qui sont passées à des moments différents... heu... comment dire...

Mais rassure-toi, la polémique est close, je crois que j'ai compris le fond du problème. Il y a plusieurs choses à corriger dans les dessins qu'on nous présente lorsqu'on raisonne avec un photon unique et qu'on veut expliquer l'interférence :
- Premièrement il ne faut pas représenter le dessin avec plusieurs cercles concentriques : ceci n'est vrai qu'avec un flux continu de lumière. Avec un seul photon la représentation correcte c'est avec 2 cercles uniquement, et plusieurs images représentant l'évolution dans le temps de ces cercles (pour montrer où ils se croisent à chaque instant).
- Il faut donner une épaisseur au trait, à la fois pour les cercles et pour l'écran. Cette épaisseur dépend de la longueur d'onde du photon.
- Il faut dessiner à l'échelle : la courbure des cercles quand ils arrivent sur l'écran permet, en tenant compte des épaisseurs de trait, que l'effondrement de l'onde se fasse aussi ailleurs que sur le point situé sur la ligne médiane.
- Dû à l'épaisseur des traits les deux cercles se croisent non pas sur un point mais sur un arc de cercle. Au niveau de l'écran ces arcs de cercles font pratiquement la largeur de l'écran.
- Si on zoome fortement sur l'épaisseur du trait des cercles on voit apparaitre la phase du photon (perpendiculairement à l'écran). Et on comprend à la fois l'interférence et les franges à l'écran.

Voilà, à force de réfléchir on finit par trouver. Et on réfléchit mieux dans le dialogue, sinon on se met sur Netflix

J'ai juste un dernier petit doute : je peux me représenter le photon unique avec une étendue spatiale correspondante à sa longueur d'onde. Après tout c'est un quanta ça me parait logique. Mais il pourrait avoir aussi une étendue spatiale plus grande dans le sens du déplacement, une sinusoïde qui augmente progressivement son amplitude et puis la réduit à nouveau jusqu'à zéro. Il y aurait alors plusieurs
fois où la sinusoïde croise l'axe de déplacement (points où la phase change de signe). Les franges observées à l'écran ne dépendent que de la longueur d'onde du photon, donc on ne voit pas apparaitre des sous-franges dues à cette hypothèse. Mais bon, les tests en laboratoire sont compliqués et la luminosité des images obtenues est faible, etc... donc en regardant juste les résultats de ces expériences j'ai du mal à me faire une idée.
Quelqu'un a une réponse ?

Bonjour

Alain Aspect expose de façon assez clair ces phénomènes à partir de 25 minutes ( on peut y aller directement)
dans cette conférence :

https://www.youtube.com/watch?v=_kGqkxQo-Tw

Bonne écoute

Génial, merci pour cette vidéo de la conférence d'Alain Aspect
A propos, on voit dans les expériences faites avec les lames semi-transparentes, et aussi dans celle avec le bi-prisme, que les distances de parcours sont identiques et les ondes arrivent en même temps à leurs points d'interférence, et on ne risque plus de se poser les questions que je me suis posées avec les dessins de l'expérience des fentes de Young

[coussin]

Je comprends. Vous pensez que "photon unique" signifie "un seul maximum de champ".
Ce sont 2 choses qui sont complètement indépendantes et qui sont bien au delà du niveau de ce sujet*

* En effet, pour satisfaire aux relations d'incertitude de Heisenberg, un photon unique doit être réellement un paquet d'onde. C'est la largeur de ce paquet d'onde qui indique combien de cycles de champ EM il y a.

[gts2]

- Il faut donner une épaisseur au trait, à la fois pour les cercles et pour l'écran. Cette épaisseur dépend de la longueur d'onde du photon.

Cette épaisseur ne dépend pas de la longueur d'onde mais de la longueur de cohérence (qui est d'autant plus grande que la longueur d'onde est définie précisément) et elle est usuellement nettement plus grande que la longueur d'onde.

[curiossss]

Je comprends. Vous pensez que "photon unique" signifie "un seul maximum de champ".
Ce sont 2 choses qui sont complètement indépendantes et qui sont bien au delà du niveau de ce sujet*

* En effet, pour satisfaire aux relations d'incertitude de Heisenberg, un photon unique doit être réellement un paquet d'onde. C'est la largeur de ce paquet d'onde qui indique combien de cycles de champ EM il y a.

Ok merci à vous deux.
A la limite je me représente mieux un paquet d'ondes qui voyage. Une transition électronique qui aboutit à une fréquence unique cela aurait été trop beau.

[invite18230371]

Bonjour Currioss,

Désolé mais de base, les vulgarisateurs scientifiques racontes n'importe quoi !!!
PS : je suis docteur en Optique, + Lauréat du concours général. (mais bref, on s'en fou)

Donc ...

"le photon est passé par les deux fentes à la fois et a ensuite interféré avec lui-même pour donner lieu aux interférences visibles à l'écran"
NON !!!
La mesure se décrit comme une somme de possibilité du photon.

[invite18230371]

En effet, pour satisfaire aux relations d'incertitude de Heisenberg, un photon unique doit être réellement un paquet d'onde. C'est la largeur de ce paquet d'onde qui indique combien de cycles de champ EM il y a.

Par définition, un "photon unique" possede une energie unique, il est donc associé à une onde plane, certainement pas un paquet d'onde.

Et même si les expérimentateurs font se raccourcit, il reste totalement abscons.

[coussin]

Non. On peut former une superposition d'états de Fock à 1 photon ayant des k différents.

[invite18230371]

Non. On peut former une superposition d'états de Fock à 1 photon ayant des k différents.

Tu parles de la direction de propagation avec k ?