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Lumière, qui es-tu vraiment ?

La Lumière : Que savons-nous ?

Projet de TPE

Les Principes du Modèle Corpusculaire

Concept de base du Modèle Corpusculaire  :  Le grain de lumière dit "photon"

 

Max Planck, célèbre physicien allemand du début du 20ème siècle, est le premier homme à avoir émis l'idée que la lumière serait constituée par des photons. Il développa cela dans sa Théorie des Quanta (Quanta, pluriel du mot latin quantus "qui renvoie à une quantité, une grandeur). Le principe est le suivant : dans le faisceau lumineux précédemment mis en évidence par le modèle géométrique, le transport de l'énergie se fait sous forme de grains d'énergie ou quanta. Ces quanta sont une radiation monochromatique déterminée dont la valeur dépend de la longueur d'onde ou, de manière équivalente, de la fréquence de radiation.

Planck proposa la formule suivante pour calculer l'énergie du quanta :

 

 

En 1905, Albert Einstein a repris les idées de Max Planck. Il admit que la lumière serait formée de corpuscules de masse nulle et de charge nulle, se déplaçant dans le vide et à une vitesse qui serait la vitesse de la lumière. Ces corpuscules sont alors appelés les photons.

 

Les Limites du Modèle

Suite aux nombreuses expériences menées sur la lumière, il apparaît que le Modèle Corpusculaire ne peut expliquer les phénomènes de diffraction. La lumière considérée comme un grain ne pourrait en effet formée les figures de diffraction puisque le grain ne peut aboutir qu'en un seul endroit pour un seul instant donnée.

C'est l'objet du Modèle Ondulatoire que nous allons développer dans le chapitre suivant.

 

Pour interpréter cette propriété, il faut admettre que l'énergie nécessaire pour expulser un électron ne peut pas être apportée progressivement par la lumière, mais au contraire de manière brutale, en un seul instant. Les données de l'expérience de l'effet photoélectrique prennent du sens si l'on admet que la lumière est bien véhiculée sous forme de particules transportant chacune une énergie définie.

 

On définira l'énergie du photon :       avec la fréquence de la radiation ayant produit le photon

 

Suite au choc instantané, la totalité de l'énergie du photon se retrouve transférée à l'électron :

  • Une première partie (terme ) sert à extraire l'électron de son atome
  • Le reste confère l’Énergie Cinétique à l'électron soit

 

Si pour un photon donnée, , alors il n'y aura pas suffisamment d'énergie pour permettre l'extraction de l'électron, et donc pas d'effet photoélectrique possible.

 

 

THEOREMES

 

👉 Dans un faisceau de lumière monochromatique, tous les photons transportent le même quantum.

👉 Dans un faisceau polychromatique, il y a plusieurs types de photons qui transportent donc des quanta différents.

👉 La couleur est liée au quanta.

L'Effet Photoélectrique

La preuve de la nature corpusculaire de la lumière a été apportée par l'expérience de l'effet photoélectrique. Cet effet correspond à l'extraction d'électrons d'un métal sous l'effet d'une radiation électromagnétique.

 

Pour un métal donné, quelle que soit l'intensité du faisceau lumineux :

 

 

 

 

De ce résultat, Einstein traduit la relation mathématique suivante :