Accueil > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (…) > Lumière quantique

Lumière quantique

mercredi 29 juillet 2009, par Robert Paris

Qu’est-ce qu’un photon ?

"Nous saurions beaucoup de choses, si nous savions ce qu’est un rayon lumineux."

Louis de Broglie

Qu’est-ce que la lumière, le film

Le quanta de lumière

Max Planck dans « Initiations à la physique » :

« L’existence de faits nombreux permet d’affirmer qu’un rayon lumineux d’une couleur donnée ne transmet pas son énergie d’une manière continue ; mais que cette énergie est partagée en particules distinctes appelées « photons » (…) Lorsque l’intensité lumineuse est forte, les photons se suivent en rangs si serrés qu’en pratique le phénomène ne se différencie pas d’une apparence d’émission continue, mais quand l’intensité de la source diminue ou quand la source s’éloigne, la densité du rayonnement devient de plus en plus faible et les photons se séparent les uns des autres. L’élément caractéristique du processus est que les gouttes d’énergie ou photons ne deviennent pas plus petites quand le rayonnement diminue, mais qu’elles sont seulement plus rares, leur grandeur demeurant constante. »

« Les photons ne sont pas complètement descriptibles et subissent des transitions spontanées dans le vide. »

David Ritz Finkelstein
dans « L’éther adamantin », article de « Le vide »,
ouvrage collectif présenté par Edgard Gunzig et Isabelle Stengers

Optique quantique, le film

Lorsqu’on observe l’arc en ciel, on croit à la continuité du phénomène du fait que le spectre des fréquences lumineuses qui correspondent aux couleurs n’admet que quelques trous. Cependant cette continuité de la lumière n’est qu’apparente. Rappelons que ce spectre continu de la lumière dite blanche est, en fait, un rayonnement thermique appelé rayonnement du corps noir dont Planck et Einstein ont montré qu’il est fondé sur des quanta, donc fondamentalement discontinu. Le rayonnement thermique est fondé sur un équilibre thermique de la cavité qui est chauffée et qui émet. Il ne dépend pas des matériaux dont est composée la cavité. Toutes les fréquences existent mais l’émission se fiait forcément par nombre entier de paquets qui sont des quanta.

La lumière naturelle

On sait depuis le 17ème siècle que la lumière « blanche » du soleil, tout autant que celle des lampes traditionnelles, est en fait composée et montre, après être passée par exemple dans un prisme, l’ensemble des couleurs de l’arc-en-ciel. (…) Il faut se rappeler que la lumière n’est en fait qu’une variété d’ondes électromagnétiques, on sait cela depuis la fin du 19ème siècle, grâce aux travaux de Maxwell et de Hertz. Ce qui la différencie est sa longueur d’onde, c’est-à-dire la distance qui sépare deux « crêtes » du champ électrique, qui est de l’ordre du demi-micron, un demi-millième de millimètre, alors qu’en radio on utilise des longueurs d’onde allant du mètre au kilomètre. (…) Les couleurs de l’arc-en-ciel correspondent tout simplement aux vibrations de longueurs d’onde différentes qui composent la lumière naturelle. (…) Dans le domaine qui est visible pour notre oeil, les grandes longueurs d’onde correspondent au rouge, soit de 0,76 microns, les plus courtes de 0,4 microns et correspondent au bleu-violet. (…) Si on observe la lumière jaune émise par la vapeur de sodium (…) on obtient non pas un spectre continu comme celui de la lumière blanche, mais ce que l’on appelle un spectre de raies. Toute l’intensité lumineuse y est concentrée autour de quelques longueurs d’onde bien définies, formant les « raies spectrales » du corps considéré. Ces raies sont connues depuis assez longtemps, et ce sont les savants allemands Kirchoff et Bunsen qui eurent l’idée, dès 1860, d’y voir une « signature » des espèces atomiques et de s’en servir pour analyser la nature chimique des corps. (…) On a ainsi accès à une caractéristique très profonde des atomes. (…) Encore plus mystérieux paraît le fait que non seulement ces raies apparaissent en émission, mais aussi en absorption. (…) En améliorant, le dispositif à prisme de Newton, celui-ci avait en effet observé que la décomposition de la lumière du soleil en spectre continu de couleurs faisait apparaître plusieurs centaines de raies noires (…) En outre, ces raies ont la même position que les raies d’émission (…) »

Dans wikipedia

La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend cependant pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l’énergie d’une onde lumineuse dépend seulement de l’amplitude de l’onde, mais pas de sa fréquence ; or de nombreuses expériences indiquent que l’énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l’amplitude. Par exemple, certaines réactions chimiques ne sont possibles qu’en présence d’une onde lumineuse de fréquence suffisante : en dessous d’une fréquence seuil, quelle que soit l’intensité incidente, la lumière ne peut amorcer la réaction. De manière similaire, dans l’effet photoélectrique, les électrons ne sont éjectés d’une plaque de métal qu’au-dessus d’une certaine fréquence, et l’énergie des électrons émis dépend de la fréquence de l’onde, et non de son amplitude. Dans le même ordre d’idée, les résultats obtenus à la fin du XIXe et au début du XXe siècle sur le rayonnement du corps noir sont reproduits théoriquement par Max Planck en 1900 en supposant que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence ν ne peut recevoir ou émettre de l’énergie électromagnétique que par paquets de valeur bien déterminée égale à hν – ces paquets étant appelés des quanta.

Puisque les équations de Maxwell autorisent n’importe quelle valeur de l’énergie électromagnétique, la plupart des physiciens pensaient initialement que cette quantification de l’énergie échangée était due à des contraintes encore inconnues sur la matière qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein fut le premier à proposer que la quantification de l’énergie soit une propriété de la lumière elle-même. Bien qu’il ne remette pas en cause la validité de la théorie de Maxwell, Einstein montre que la loi de Planck et l’effet photoélectrique pourraient être expliqués si l’énergie de l’onde électromagnétique était localisée dans des quanta ponctuels qui se déplaçaient indépendamment les uns des autres, même si l’onde elle-même était étendue continuement dans l’espace. Dans son article, Einstein prédit que l’énergie des électrons émis lors de l’effet photoélectrique dépend linéairement de la fréquence de l’onde. Cette prédiction forte sera confirmée expérimentalement par Robert Millikan en 1916, ce qui lui vaudra – parallèlement à ses expériences sur les gouttes chargées – le prix Nobel de 1923. En 1909 et en 1916, Einstein montre que, si la loi de Planck du rayonnement du corps noir est exacte, les quanta d’énergie doivent également transporter une impulsion p = h / λ, ce qui en fait des particules à part entière. L’impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement par Arthur Compton, ce qui lui valut le prix Nobel de 1927.

Pendant tout le début du XXe siècle cependant, la notion de photon reste discutée, principalement en raison de l’absence d’un formalisme permettant de combiner les phénomènes ondulatoires avec les phénomènes corpusculaires nouvellement découverts. Ainsi en 1913, dans une lettre de recommandation en faveur de l’admission d’Einstein à l’académie des sciences de Prusse, Planck écrit :
« Il ne faut pas trop lui tenir rigueur de ce que, dans ses spéculations, il ait occasionnellement pu dépasser sa cible, comme par exemple avec son hypothèse des quanta de lumière. »
De nombreux effets mettant en évidence la nature quantifiée de la lumière peuvent en fait être également expliqués par une théorie semiclassique, dans laquelle la matière est quantifiée mais la lumière est considérée comme un champ électromagnétique classique. Parmi les phénomènes ainsi explicables, on peut par exemple citer l’existence d’un seuil dans l’effet photoélectrique, la relation entre l’énergie de l’électron émis et la fréquence de l’onde, le regroupement des photoélectrons dans un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, ainsi que la statistique poissonienne des comptes. Contrairement à une idée répandue, l’effet photoélectrique n’est donc pas la preuve absolue de l’existence du photon (bien que certaines expériences sur l’effet photoélectrique ne puissent cependant pas être expliquées par une théorie semiclassique).
L’expérience de Compton donne une existence plus tangible au photon, puisque ce dernier montre que la diffusion des électrons par les rayons X s’explique bien en attribuant au photon le moment cinétique prédit par Einstein. Cette expérience marque une étape décisive, après laquelle l’hypothèse des quanta de lumière emporte l’adhésion de la majorité des physiciens. Dans une dernière tentative de sauver la variation continue de l’énergie électromagnétique et de la rendre compatible avec les expériences, Bohr, Kramers et Slater développent un modèle basé sur deux hypothèses drastiques :

• L’énergie et l’impulsion ne sont conservées qu’en moyenne, mais pas lors des processus élémentaires tels que l’absorption et l’émission de lumière. Cela permet de réconcilier le changement discontinu de l’énergie de l’atome avec les variations continues de l’énergie de la lumière.

• La causalité est abandonnée. Par exemple, l’émission spontanée est simplement une émission induite par un champ électromagnétique "virtuel".

Cependant, des expériences de diffusion Compton plus précises montrent que l’énergie et l’impulsion sont conservées extraordinairement bien lors des processus élémentaires, et également que le recul de l’électron et la génération d’un nouveau photon lors de la diffusion Compton obéissent à la causalité à moins de 10ps près. En conséquence, Bohr et ses collaborateurs donnent à leur modèle "des funérailles aussi honorables que possible". Sur le front théorique, l’électrodynamique quantique inventée par P.A.M. Dirac parvient à donner une théorie complète du rayonnement – et des électrons – expliquant la dualité onde-corpuscule. Depuis cette époque, et notamment grâce à l’invention du laser, les expériences confirment de manière de plus en plus directe l’existence du photon et l’échec des théories semi classiques. Il est notamment devenu possible de mesurer la présence d’un photon sans l’absorber, démontrant ainsi de manière directe la quantification du champ électromagnétique, de sorte que la prédiction d’Einstein est considérée comme prouvée.

Les éléments atomiques n’émettent que de manière discontinue comme on le voit ci-dessous :

Le spectre solaire contient ainsi des bandes noires qui séparent les bandes colorées. Il y a des fréquences pour lesquelles aucun corps n’émet ni n’absorbe de lumière.

D’une manière plus générale, la discontinuité de la lumière s’est révélée bien plus fondamentale puisque celle-ci (ainsi que toutes les formes de transmission d’énergie d’interaction) est quantifiée et donc discrète et discontinue. Le quanta de lumière est appelé photon. Mais il existe aussi des quanta d’autres interactions, qui sont le méson ou le gluon.

Sur la discontinuité quantique de … la lumière

La lumière, et partant les forces d’interaction, ont longtemps été considérées comme continues, alors même que la matière était déjà considérée comme discontinue, atomique. C’est la physique quantique qui a montré que la lumière n’était pas moins discontinue que la matière. Les interférences, qui semblaient l’expérience la plus démonstrative du caractère ondulatoire et donc continu de la lumière. L’expérience des fentes de Young (une émission peut passer dans l’un des deux trous et on constate des franges d’interférence - alternativement claire et sombre) semblait trancher dans le sens ondulatoire. Cela a été le contraire puisque les particules de lumière, les photons, peuvent être envoyés un par un et captés un par un sur l’écran. Cependant, même si l’émission est réalisée ainsi, photon par photon, sur l’écran les figures d’interférence se réalisent progressivement à partir d’un très grand nombre de photons émis. Cela a complètement cassé l’image des interférences conçues comme un produit de la continuité des ondes. Et ce n’était pas fini : l’expérience de l’effet photoélectrique (un photon suffisamment énergétique arrache des électrons de la matière) a montré le caractère discontinu de la lumière, entraînant la physique quantique vers un renoncement à la continuité aussi bien pour la lumière que pour la matière.

Louis de Broglie dans « La physique nouvelle et les quanta » :

« L’effet photoélectrique et la structure discontinue de la lumière

La découverte et l’étude du phénomène photoélectrique a réservé aux physiciens une très grande surprise. Ce phénomène consiste en ceci qu’un morceau de matière exposé à l’action d’une radiation de longueur d’onde suffisamment courte projette souvent autour de lui des électrons en mouvement rapide. La caractéristique essentielle du phénomène est que l’énergie des électrons expulsés est uniquement fonction de la fréquence de la radiation incidente et ne dépend nullement de son intensité. Seul le nombre des électrons dépend de l’intensité incidente. (..) Mr Einstein a eu, en 1905, l’idée très remarquable que les lois de l’effet photoélectrique indiquent l’existence pour la lumière d’une structure discontinue où les quanta interviennent. (…) Lorsqu’un électron contenu dans la matière recevra un grain de lumière, il pourra absorber l’énergie de ce grain et sortir de la matière où il était enfermé, à condition toutefois que l’énergie du grain de lumière soit supérieur au travail nécessaire à l’électron pour sortir de la matière. L’électron ainsi expulsé par l’action de la lumière possèdera donc une énergie cinétique égale à l’énergie du grain de lumière absorbée diminuée du travail dépensé pour sortir de la matière : cette énergie cinétique sera donc une fonction linéaire de la fréquence de la radiation incidente, le coefficient angulaire de la droite qui la représente étant numériquement égal à la constante de Planck. (…) Telle est l’interprétation des lois de l’effet photoélectrique proposée en 1905 par Einstein. Il l’avait appelée la théorie des quanta de lumière. Aujourd’hui nous l’appelons la théorie des photons, car nous avons donné aux grains de lumière le nom de photons. Depuis trente ans, l’existence du photon a reçu de nombreuses confirmations. (…) L’étude de l’effet photoélectrique des rayons X et gamma a permis de soumettre à une épreuve très rigoureuse l’exactitude de la relation photoélectrique d’Einstein (…) la découverte d’un autre phénomène est venu en 1923 fournir une nouvelle preuve de l’existence du photon. Nous voulons parler de l’effet Compton. On sait que, si une radiation vient frapper un corps matériel, une partie de l’énergie de cette radiation est, en général, éparpillée dans toutes les directions sous forme de radiation diffusée. La théorie électromagnétique interprète cette diffusion en disant que, sous l’influence du champ électrique de l’onde incidente, les électrons contenus dans le corps matériel entrent en vibration forcée et deviennent des sources de petites ondes sphériques secondaires qui diffusent ainsi dans toutes les directions une partie de l’énergie apportée par l’onde primaire. D’après cette interprétation, la vibration diffusée sous l’action d’une onde primaire monochomatique doit avoir très exactement la même fréquence que cette onde primaire. (…) Mais une étude plus précise de la diffusion des rayons X par la matière a permis de constater qu’à côté de la diffusion sans changement de fréquence prévue par la théorie électromagnétique, il se produisait une diffusion avec diminution d e fréquence tout à fait impossible à prévoir par le raisonnement classique. (…) La radiation diffusée a une fréquence variable avec l’angle de diffusion, mais indépendante de la nature du corps. diffuseur. Mr Compton, et presque en même temps Mr Debye, ont eu l’idée que ces lois pouvaient s’interpréter en assimilant la diffusion avec changement de fréquence à un choc entre un photon incident et un électron contenu dans la matière. Au moment du choc, il y a échange d’énergie et de quantité de mouvement entre le photon et l’électron et, comme l’électron peut en général être considéré comme presque immobile en comparaison du photon, c’est toujours le photon qui perd de l’énergie au profit de l’électron. La fréquence du photon étant proportionnelle à son énergie, il y a abaissement de la fréquence au moment du choc. (…) L’effet Compton a apporté à la théorie des photons une éclatante confirmation. (…) On peut encore citer comme confirmation de la conception des photons la découverte de l’effet Raman un peu postérieure à l’effet Compton. (…) Bref, depuis trente ans, l’hypothèse d’après laquelle l’énergie lumineuse présenterait une structure granulaire s’est montrée très féconde et il n’y a pas de doute qu’elle ne nous révèle un aspect essentiel de la réalité physique. (…) Mais comment imaginer l’existence de grains de lumière insécables alors que les expériences d’interférences montrent qu’on peut obtenir des trains d’onde cohérents de plusieurs mètres ? Si l’on suppose l’énergie lumineuse concentrée en grains bien localisés dans l’espace, comment comprendre l’existence même des interférences ? (...)

La découverte de l’effet photoélectrique indiquait la nécessité de revenir vers une conception de ce genre (granulaire), mais en même temps, la forme même de la relation d’Einstein montrait qu’il fallait unir la conception granulaire et celle des ondes, de manière que les deux termes de la relation aient un sens physique.

Il faut signaler une difficulté plus subtile. Dans les conceptions classiques, l’énergie d’un corpuscule est une grandeur qui a une valeur parfaitement déterminée. Par contre, dans la théorie du rayonnement, on ne peut jamais considérer un rayonnement comme strictement monochromatique : un rayonnement contient toujours des composantes dont les fréquences occupent un petit intervalle spectral, intervalle qui peut être très petit, mais ne peut être rigoureusement nul. C’est un fait sur lequel P. Planck a beaucoup insisté dans ses exposés sur la théorie du rayonnement. Dès lors, la relation d’Einstein qui égale l’énergie du corpuscule de lumière au produit par h de la fréquence de l’onde classique correspondante, a quelque chose de paradoxal puisqu’elle égale une quantité bien définie à une autre qui ne l’est pas. Le développement de la mécanique ondulatoire a montré plus tard quel était le sens véritable de cette difficulté.

En résumé, l’hypothèse des photons, merveilleusement adaptée à l’interprétation de l’effet photoélectrique et de l’effet Compton, ne peut pas conduire à une théorie purement corpusculaire des radiations. (…)

Nous ne pouvons pas explorer directement l’intérieur de l’atome, ce microcosme inimaginablement petit où toutes les grandeurs sont des fractions infimes de celles que nous pouvons percevoir. La structure de l’atome ne peut nous être révélée que par des phénomènes observables à notre échelle qui sont des conséquences de cette structure. Au nombre de ces phénomènes, figurent les spectres de raies lumineuses qui sont émis dans certaines conditions d’excitation thermique ou électrique par les atomes des corps simples. Ces raies lumineuses sont, en effet, caractéristiques des atomes qui les émettent : elles correspondent à des événements qui se produisent à l’intérieur de ces atomes et peuvent par suite nous renseigner sur leur structure. (…) L’exploration du spectre de l’hydrogène en dehors des limites du visible a révélé l’existence d’une série ultraviolette (série de Lyman) et de séries infrarouges (séries de Pashen, de Brackett, de Pfund) (…) Pour chaque atome, il est possible de trouver une suite de nombres, appelés les termes spectraux de l’atome considéré, tels que la fréquence de toute raie spectrale de cet atome soit égale à la différence de deux de ces termes spectraux. (…)

Nous voici donc amenés à parler de cette fameuse théorie quantique de l’atome que Mr Bohr développa pour la première fois en 1913. (…) L’idée essentielle de Bohr, c’est qu’à l’intérieur de l’atome, les électrons ne peuvent se trouver que dans certains états stationnaires d’énergie quantifiés. (…) Elle a admis que, sur chaque niveau quantifié, il ne peut y avoir plus d’un nombre maximum d’électrons. (…) Mr Bohr a admis que l’atome dans ses états stationnaires ne rayonne pas, ce qui revient à nier la possibilité d’appliquer la théorie électromagnétique du rayonnement au mouvement orbital des électrons sur leurs trajectoires stables. Ayant ainsi rompu toute relation avec la théorie électromagnétique, la théorie quantique de l’atome paraissait bien désarmée pour prévoir les caractéristiques des rayonnements émis sous forme de raies spectrales. Nous avons vu comment Mr Bohr a résolu la question en ce qui concerne les fréquences des raies spectrales grâce à l’hypothèse que chaque transition entre états quantifiés s’accompagne de l’émission d’un quantum d’énergie radiante. Mais cette loi des fréquences ne précise que d’une manière bien incomplète les rayonnements émis puisqu’elle ne nous dit rien sur les intensités et les polarisations. (…) M. Bohr est parvenu en 1916 à combler, au moins partiellement, cette lacune en suivant une méthode très originale et même quelque peu déconcertante, qui consiste essentiellement en ceci : malgré l’échec de la théorie électromagnétique classique dans le domaine atomique, on cherche néanmoins à établir une certaine correspondance entre le phénomènes quantiques et les formules de l’électromagnétisme de façon à pouvoir comprendre pourquoi la théorie électromagnétique fournit une bonne représentation des faits à grande échelle. (…) En d’autres termes, d’après la théorie quantique, l’émission des raies spectrales d’un corps simple est discontinue et procède par actes individuels isolés. Il est donc assurément difficile de trouver deux conceptions plus différentes l’une de l’autre que la conception classique et celle de la théorie quantique et l’on peut au premier abord se demander légitimement si aucun pont ne pourra être construit pour les relier. (…) On s’aperçoit que cette correspondance, si toutefois elle est réalisable, ne peut être que de nature statistique. En effet, une correspondance avec l’image classique ne peut évidemment s’établir qu’en considérant simultanément l’émission de toutes les raies spectrales ; or, du point de vue quantique pour lequel l’émission de chaque quantum de radiation monochromatique est un acte individuel, cela n’est possible qu’en considérant un ensemble d’atomes de même nature en très grand nombre, ensemble où se produisent constamment des transitions de toutes sortes accompagnées de l’émission de diverses raies spectrales de l’élément considéré. D’autre part, on ne peut introduire dans la théorie quantique la notion indispensable d’intensité des diverses raies qu’en se plaçant également du point de vue statistique. L’atome quantifié, en effet, quand il subit une transition, émet un seul quantum, une seule unité, de radiation monochromatique ; pour un tel acte individuel d’émission, il ne saurait être question de l’intensité du rayonnement. Pour pouvoir définir une intensité, il faut donc encore considérer un ensemble d’un grand nombre d’atomes de même nature. (…) La nature essentiellement discontinue de la quantification, exprimée par l’apparition dans les formules de nombre entiers, les nombres quantiques, présentait un étrange contraste avec la nature continue des mouvements envisagés par la dynamique ancienne, newtonienne ou einsteinienne. (…)

Introduisons maintenant le concept de photon. Un faisceau de lumière nous apparaît comme un flot de photons et une expérience d’interférence ou de diffraction devient à nos yeux une expérience où, par suite du dispositif employé, les photons se retrouvent répartis d’une manière non uniforme dans l’espace, étant concentrés dans les franges brillantes et fuyant les franges obscures. (…) dans ces expériences, les interférences se produisent, même quand les photons arrivent un par un sur le dispositif interférentiel. Force est donc d’admettre, pour expliquer dans ce cas l’obtention finale, après de longues poses, des figures usuelles d’interférences, que l’intensité de l’onde associée à chaque photon représente en chaque point la probabilité pour que le photon se trouve en ce point. Nous sommes ainsi amenés à passer d’un point de vue statistique à un point de vue probabiliste, et le principe des interférences nous apparaît comme un principe réglant les probabilités de localisation des photons. (…) Dans un atome quantifié, il existe une série de fréquences correspondant à des états stationnaires d’énergie quantifiée. Mais, pour un tel système, tout comme pour une corde vibrante, on peut très bien envisager un état quelconque formé par une superposition d’états stationnaires (…) On ne peut plus dire que l’atome est dans un de ses états stationnaires : il est en quelque sorte à la fois dans plusieurs états stationnaires, ce qui est évidemment incompréhensible avec les conceptions classiques. Avec le principe de décomposition spectrale, la difficulté est résolue dans un sens inattendu : l’atome dans l’état envisagé peut avoir l’une quelconque des valeurs quantifiées de l’énergie représentées dans le développement spectral de son onde et cela avec des probabilités proportionnelles aux intensités des composantes spectrales correspondantes. (…)

Il est utile de réfléchir à certaines expériences classiques en optique physique. Ici encore, c’est en partant de la dualité des photons et des ondes lumineuses que nous aurons le plus de chance de pouvoir débrouiller les choses. Nous allons donc envisager une expérience bien usuelle : l’analyse spectrale d’un faisceau de lumière complexe à l’aide d’un prisme (ou d’un réseau). L’effet du dispositif employé est alors, comme on le sait depuis Newton, de séparer les diverses composantes monochromatiques contenues dans la lumière incidente. On a beaucoup discuté au 19ème siècle la question de savoir si les composantes monochromatiques isolées par le prisme existaient dans la lumière incidente ou étaient créées par l’action du prisme. Aucune réponse bien satisfaisante n’avait été donnée à cette question, mais en fin de compte l’attitude la plus prudente consistait à dire : les composantes monochromatiques existent virtuellement, en quelque sorte à l’état potentiel, dans la lumière incidente. Nous allons voir que cette opinion est confirmée par les analyses de nature quantique dont nous allons parler. »

La lumière, le film

La lumière

La lumière naturelle

On sait depuis le 17ème siècle que la lumière « blanche » du soleil, tout autant que celle des lampes traditionnelles, est en fait composée et montre, après être passée par exemple dans un prisme, l’ensemble des couleurs de l’arc-en-ciel. (…) Il faut se rappeler que la lumière n’est en fait qu’une variété d’ondes électromagnétiques, on sait cela depuis la fin du 19ème siècle, grâce aux travaux de Maxwell et de Hertz. Ce qui la différencie est sa longueur d’onde, c’est-à-dire la distance qui sépare deux « crêtes » du champ électrique, qui est de l’ordre du demi-micron, un demi-millième de millimètre, alors qu’en radio on utilise des longueurs d’onde allant du mètre au kilomètre. (…) Les couleurs de l’arc-en-ciel correspondent tout simplement aux vibrations de longueurs d’onde différentes qui composent la lumière naturelle. (…) Dans le domaine qui est visible pour notre oeil, les grandes longueurs d’onde correspondent au rouge, soit de 0,76 microns, les plus courtes de 0,4 microns et correspondent au bleu-violet. (…) Si on observe la lumière jaune émise par la vapeur de sodium (…) on obtient non pas un spectre continu comme celui de la lumière blanche, mais ce que l’on appelle un spectre de raies. Toute l’intensité lumineuse y est concentrée autour de quelques longueurs d’onde bien définies, formant les « raies spectrales » du corps considéré. Ces raies sont connues depuis assez longtemps, et ce sont les savants allemands Kirchoff et Bunsen qui eurent l’idée, dès 1860, d’y voir une « signature » des espèces atomiques et de s’en servir pour analyser la nature chimique des corps. (…) On a ainsi accès à une caractéristique très profonde des atomes. (…) Encore plus mystérieux paraît le fait que non seulement ces raies apparaissent en émission, mais aussi en absorption. (…) En améliorant, le dispositif à prisme de Newton, celui-ci avait en effet observé que la décomposition de la lumière du soleil en spectre continu de couleurs faisait apparaître plusieurs centaines de raies noires (…) En outre, ces raies ont la même position que les raies d’émission (…) »

Rappelons que ce spectre continu de la lumière dite blanche est, en fait, un rayonnement thermique appelé rayonnement du corps noir dont Planck et Einstein ont montré qu’il est fondé sur des quanta, donc fondamentalement discontinu. Le rayonnement thermique est fondé sur un équilibre thermique de la cavité qui est chauffée et qui émet. Il ne dépend pas des matériaux dont est composée la cavité. Toutes les fréquences existent mais l’émission se fiait forcément par nombre entier de paquets qui sont des quanta.

Nature de la lumière :

Dans wikipedia

La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend cependant pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l’énergie d’une onde lumineuse dépend seulement de l’amplitude de l’onde, mais pas de sa fréquence ; or de nombreuses expériences indiquent que l’énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l’amplitude. Par exemple, certaines réactions chimiques ne sont possibles qu’en présence d’une onde lumineuse de fréquence suffisante : en dessous d’une fréquence seuil, quelle que soit l’intensité incidente, la lumière ne peut amorcer la réaction. De manière similaire, dans l’effet photoélectrique, les électrons ne sont éjectés d’une plaque de métal qu’au-dessus d’une certaine fréquence, et l’énergie des électrons émis dépend de la fréquence de l’onde, et non de son amplitude. Dans le même ordre d’idée, les résultats obtenus à la fin du XIXe et au début du XXe siècle sur le rayonnement du corps noir sont reproduits théoriquement par Max Planck en 1900 en supposant que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence ν ne peut recevoir ou émettre de l’énergie électromagnétique que par paquets de valeur bien déterminée égale à hν – ces paquets étant appelés des quanta.

Puisque les équations de Maxwell autorisent n’importe quelle valeur de l’énergie électromagnétique, la plupart des physiciens pensaient initialement que cette quantification de l’énergie échangée était due à des contraintes encore inconnues sur la matière qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein fut le premier à proposer que la quantification de l’énergie soit une propriété de la lumière elle-même. Bien qu’il ne remette pas en cause la validité de la théorie de Maxwell, Einstein montre que la loi de Planck et l’effet photoélectrique pourraient être expliqués si l’énergie de l’onde électromagnétique était localisée dans des quanta ponctuels qui se déplaçaient indépendamment les uns des autres, même si l’onde elle-même était étendue continuement dans l’espace. Dans son article, Einstein prédit que l’énergie des électrons émis lors de l’effet photoélectrique dépend linéairement de la fréquence de l’onde. Cette prédiction forte sera confirmée expérimentalement par Robert Millikan en 1916, ce qui lui vaudra – parallèlement à ses expériences sur les gouttes chargées – le prix Nobel de 1923. En 1909 et en 1916, Einstein montre que, si la loi de Planck du rayonnement du corps noir est exacte, les quanta d’énergie doivent également transporter une impulsion p = h / λ, ce qui en fait des particules à part entière. L’impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement par Arthur Compton, ce qui lui valut le prix Nobel de 1927.

Pendant tout le début du XXe siècle cependant, la notion de photon reste discutée, principalement en raison de l’absence d’un formalisme permettant de combiner les phénomènes ondulatoires avec les phénomènes corpusculaires nouvellement découverts. Ainsi en 1913, dans une lettre de recommandation en faveur de l’admission d’Einstein à l’académie des sciences de Prusse, Planck écrit :
« Il ne faut pas trop lui tenir rigueur de ce que, dans ses spéculations, il ait occasionnellement pu dépasser sa cible, comme par exemple avec son hypothèse des quanta de lumière. »
De nombreux effets mettant en évidence la nature quantifiée de la lumière peuvent en fait être également expliqués par une théorie semiclassique, dans laquelle la matière est quantifiée mais la lumière est considérée comme un champ électromagnétique classique. Parmi les phénomènes ainsi explicables, on peut par exemple citer l’existence d’un seuil dans l’effet photoélectrique, la relation entre l’énergie de l’électron émis et la fréquence de l’onde, le regroupement des photoélectrons dans un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, ainsi que la statistique poissonienne des comptes. Contrairement à une idée répandue, l’effet photoélectrique n’est donc pas la preuve absolue de l’existence du photon (bien que certaines expériences sur l’effet photoélectrique ne puissent cependant pas être expliquées par une théorie semiclassique).
L’expérience de Compton donne une existence plus tangible au photon, puisque ce dernier montre que la diffusion des électrons par les rayons X s’explique bien en attribuant au photon le moment cinétique prédit par Einstein. Cette expérience marque une étape décisive, après laquelle l’hypothèse des quanta de lumière emporte l’adhésion de la majorité des physiciens. Dans une dernière tentative de sauver la variation continue de l’énergie électromagnétique et de la rendre compatible avec les expériences, Bohr, Kramers et Slater développent un modèle basé sur deux hypothèses drastiques :

• L’énergie et l’impulsion ne sont conservées qu’en moyenne, mais pas lors des processus élémentaires tels que l’absorption et l’émission de lumière. Cela permet de réconcilier le changement discontinu de l’énergie de l’atome avec les variations continues de l’énergie de la lumière.

• La causalité est abandonnée. Par exemple, l’émission spontanée est simplement une émission induite par un champ électromagnétique "virtuel".

Cependant, des expériences de diffusion Compton plus précises montrent que l’énergie et l’impulsion sont conservées extraordinairement bien lors des processus élémentaires, et également que le recul de l’électron et la génération d’un nouveau photon lors de la diffusion Compton obéissent à la causalité à moins de 10ps près. En conséquence, Bohr et ses collaborateurs donnent à leur modèle "des funérailles aussi honorables que possible". Sur le front théorique, l’électrodynamique quantique inventée par P.A.M. Dirac parvient à donner une théorie complète du rayonnement – et des électrons – expliquant la dualité onde-corpuscule. Depuis cette époque, et notamment grâce à l’invention du laser, les expériences confirment de manière de plus en plus directe l’existence du photon et l’échec des théories semi classiques. Il est notamment devenu possible de mesurer la présence d’un photon sans l’absorber, démontrant ainsi de manière directe la quantification du champ électromagnétique, de sorte que la prédiction d’Einstein est considérée comme prouvée.

Messages

  • Merci pour ce dossier extrêmement bien expliqué. Il est rare d’arriver à comprendre facilement la physique quantique, et là je me suis délectée ! D’autant plus fascinant que j’arrivais à extrapoler à partir de ces explications, ce qui jusqu’à présent me paraissait impossible.

  • Que la Lumière soit et la Lumière fut "Quantique" ?

  • Donc le quanta a été, est et sera. Il ressemble au Grand Nom Divin "Je suis Celui qui a été, qui est et qui sera" ; Qu’en pensez-vous ?

    • Si on dit le quanta a été, est et sera, cela suppose que la réalité ne devrait pas changer mais elle change...

    • Le XXI siècle sera spirituel ou ne sera pas. André Malraux
      Les élus, doués d’un corps spirituel, posséderont la gnose parfaite comme les anges eux-mêmes. Les Ecrits Esséniens.
      Bienvenue à l’Univers de l’Être Intemporel. Je suis Celui qui suis, révèle t’ il à Moïse au Sinaï.
      "C’est bien notre "Je" entier qui est un sous-ensemble de l’information contenue dans chacune des particules élémentaires formant notre corps. Même en admettant que seules les particules entrant dans la composition de l’A.D.N. de nos cellules possèdent chacune l’information propre à notre "Je", étant donné que la quantité d’A.D.N. de chaque cellule humaine est de l’ordre du millionième de millionième de gramme, il y aurait près de cent milliards d’électrons "spirituels" porteurs de notre "Je" dans chacune des cellules de notre corps. Et les cellules de notre corps se comptent elles-mêmes en milliards.
      "Nous ouvrir à la merveille de cette Révélation, c’est percevoir d’un seul coup le prodige des apparences, qui de l’indifférencié primordial à l’indéterminé final consomme toute la durée et nous transforme en être libre ". extrait de l’ouvrage de Robert Linssen "Au delà du hasard et de l’anti hasard " édition Le courrier du livre.
      "Je" suis dans le peuple comme un poisson dans l’eau. Un gamin de Paris A+

    • Optique 2014 : La lumière quantique s’étend sur toute la Terre et les hommes ne la voient pas.
      Ce que vous voyez n’est pas toujours ce que vous pensez voir, par contre, ce que vous pensez voir peut être mesuré. En effet, sur le plan subjectif chacun peut voir à sa manière, c’est l’interprétation. Mais sur le plan objectif, tous doivent mesurer la même chose et la confrontation devient possible permettant la communication. A + peut être

    • LA COULEUR QUANTIQUE
      Bien avant l’écriture est née la peinture est l’utilisation des couleurs. Il est impossible de rester indifférent aux couleurs, Delacroix disait qu’elles sont " la musique des yeux, qu’elles se combinent comme des notes - certaines harmonies, ajoutent-t-il, produisent des sensations que la musique ne peut atteindre.
      Les peintres certes, savent avec leur palette exprimer toutes les nuances de l’âme humaine, c’est par la couleur qu’ils ont chanté l’amour et le regret, l’horreur et la joie. C’est par la couleur aussi, que nous pouvons créer des atmosphères de détente ou de travail. Semblables aux êtres vivants, les couleurs entre elles s’accordent ou se heurtent, se complètent ou s’exhaltent ; elles ne se rapprochent pas sans réagir, sans vibrer. Chacune à ses affinités, ses contraires. Elles ont langage. Pour être réussi, un ensemble de couleurs obéit à des lois qu’il faut connaître.

    • Le mysticisme ne provient pas de la lumière, même si elle est quantique.

    • Je ne suis pas un mystique, je suis artisan peintre en bâtiment retraité. Le texte ci dessus est extrait de "Encyclopédie de la maison" édition Baschet & Cie éditeur. Question : D’où provient le mysticisme ?

    • Cher lecteur, tu cites les esséniens, tu fais appel à l’éternité, et d’ailleurs tu as parfaitement le droit de penser ce que tu veux. Même si tu n’étais pas artisan peintre retraité !!!

      Je m’étonnes par contre de tes remarques sur la lumière. Ce sont elles qui me font penser au mysticisme. A tort donc. Dont acte.

  • La lumière quantique va éblouir le Prince des ténèbres.
    L’agitation mentale résulte en grande partie d’un réflexe d’auto-défense garantissant la continuité apparente du "moi". Tel est le symbole du "vieil homme" dont les textes des écritures nous suggèrent le dépassement. Telle serait aussi la signification profonde qu’il faut donner au mot "Satan" qui ne symbolise pas une personne mais l’ensemble des forces d’inertie résistant aux mouvements de la vie. Le terme "Satan" proviendrait de Sheitan (du vieil arabe) et signifierait "je résiste". I évoquerait la fixation du "moi" aux niveaux acquis par la conscience personnelle au cours de l’évolution et le refus de l’ éveil intérieur. A+ peut être

  • « La lumière joue dans notre vie un rôle essentiel : elle intervient dans la plupart de nos activités. Les Grecs de l’Antiquité le savaient déjà, eux qui pour dire « mourir » disaient « perdre la lumière ». »

    Louis de Broglie, 1941, Continu et discontinu en physique moderne,

Un message, un commentaire ?

modération a priori

Ce forum est modéré a priori : votre contribution n’apparaîtra qu’après avoir été validée par les responsables.

Qui êtes-vous ?
Votre message

Pour créer des paragraphes, laissez simplement des lignes vides.