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Chapitre 9 : Dualité onde-particule
1. Ondes ou particules ?
1.1. Aspect ondulatoire de la lumière
Dans son « Traité de la lumière », Christian Huygens interprète la lumière comme la propagation d’une onde. Deux
siècles plus tard, James Clerk Maxwell introduit la théorie de la propagation des ondes électromagnétiques. La
lumière devient alors un cas particulier d’ondes électromagnétiques de longueurs d’ondes comprises entre 380 nm
et 780 nm.
Les phénomènes de diffraction ou d’interférences sont des manifestations du comportement ondulatoire de la
lumière.
Diffraction des ondes lumineuses
Interférences de deux ondes lumineuses
1.2. Aspect corpusculaire de la lumière
 L’effet photoélectrique :
Le début du XXème siècle est marqué par la naissance de la théorie
de la relativité restreinte en 1905 puis par celle de la relativité
générale en 1915, par Albert Einstein, et enfin par celle de la
mécanique quantique dans les années 20. En 1905, il postule que
la lumière transporte de l’énergie sous la forme d'un flux de
particules. Il explique ainsi l'effet photoélectrique (ci-contre),
phénomène par lequel certains matériaux émettent des électrons
sous l’action de rayons lumineux à certaines fréquences, mis en
évidence par l’allemand Heinrich Hertz en 1887 : en s’appuyant
sur les travaux de Max Planck (étude du rayonnement du corps
noir), il explique que la lumière est formée de « quanta » (qu’on
appellera plus tard (1926) des « photons »), sorte de grains
d’énergie qui, en fonction de la fréquence du rayonnement,
provoque l’émission de ces électrons.
L'énergie E, appelée quantum d’énergie, portée par un photon appartenant à une onde électromagnétique
monochromatique est donnée par la relation :
34
= fréquence de l'onde (en Hz)
longueur d'onde de l'onde (en m)
constante de Planck ( 6,626 10 J.s)
E énergie (en
c
λ
ν
J
E
)
hh hh
 L’effet Compton :
En 1922, Arthur Holly Compton étudie la
diffusion des rayons X par une mince feuille
de graphite, il constate que les rayons X
diffusés ont une longueur d’onde plus
grande que les rayons X incidents et que
des électrons sont chassés de la feuille de
graphite. Il interprète cette expérience
comme une collision d’un photon avec un
électron du graphite et en déduit que,
comme prévu par Einstein, les rayons X se
comportent comme des particules.

 Cette expérience est interprétée comme une collision, dite élastique, entre un photon et un électron : après la
collision, le photon voit son énergie diminuer au profit de l'électron.
Définition :
À toute particule de masse m, animée d’une vitesse v (très inférieure à la célérité de la lumière) on associe une
grandeur appelée quantité de mouvement. Elle se note p et s’exprime en kilogramme mètre par seconde (symbole :
kg.m.s–1) :
1
1
masse de la particule (en kg)
vitesse de déplacement de la particule (en m.s )
quantité de mouvement de la particule (en kg.m.s )
p m v
m
v
p
A RETENIR :
La lumière se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme une particule : ce sont les conditions de l’expérience
qui orientent son comportement. Pour désigner ce double comportement, on utilise l’expression de « dualité onde-
particule ».
1.3. Particules matérielles et onde de matière
En 1923, alors que les scientifiques ont prouvé que la lumière peut se comporter comme une onde ou comme une
particule, Louis De Broglie émet l’hypothèse que l’on peut associer une onde à des particules matérielles comme les
électrons ou les photons : en 1924, il propose de généraliser la dualité onde-particule, admise pour la lumière, à tous
les objets microscopiques, il émet ainsi l'hypothèse que ce double comportement est observable chez tous les objets
microscopiques de la matière (électrons, protons, neutrons...). Cette hypothèse est confirmée en 1927.
Définition :
À chaque particule en mouvement est associée une onde de matière de longueur d’onde , liée à la quantité de
mouvement p de la particule par la relation de De Broglie :
34
1
constante de Planck ( 6,626 10 J.s)
longueur d'onde de matière (en m)
quantité de mouvement de la particule (en kg.m.s )
λ
h
p
hh
p
A RETENIR :
Les objets microscopiques de la matière (électrons, protons...) présentent, comme la lumière, un double aspect
ondulatoire et particulaire.
Remarques :
- La valeur de la longueur d’onde d’un photon peut alors s’exprimer par la relation suivante :
34
1
constante de Planck ( 6,626 10 J.s)
λ quantité de mouvement de la particule (en kg.m.s )
λ longueur d'onde de la radiation (en m)
hh
hp
p
- Le comportement ondulatoire des objets microscopiques est significatif lorsque la dimension a de l'obstacle
(ou de l'ouverture) est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de matière λ.
1.4. Aspect probabiliste des phénomènes quantiques
Définition :
Les phénomènes quantiques sont les phénomènes où interviennent des objets microscopiques de la matière et qui ne
s'expliquent pas par les lois classiques de la physique.
1 J = 1 m2.kg.s−2

On éclaire des fentes d'Young avec une source lumineuse (ci-contre). Un écran placé derrière les fentes repère
l'impact des photons :
- Quand on diminue suffisamment l'intensité de la lumière, les
photons arrivent un par un sur les fentes. On ne peut pas prévoir
le lieu d'impact des photons sur l'écran (images a et b), mais on
peut établir la probabilité de les observer à un endroit précis ;
- Pour un très grand nombre d'impacts (images c et d), cette
probabilité est maximale à certains endroits et minimale à
d'autres. L'aspect probabiliste du phénomène est ainsi mis en
évidence.
Interférence particule par particule
 Dans cette expérience, on ne peut pas prévoir la position de l’impact d’un photon sur l’écran mais lorsque leur
nombre est important, ils obéissent à une loi de probabilité et forment le motif caractéristique des franges
d’interférences. Les franges d’interférences s’interprètent comme une alternance de zones où un photon a une
probabilité de présence minimale ou maximale.
Remarque : la même expérience réalisée avec des électrons conduit aux mêmes observations. L’électron comme le
photon sont des objets quantiques.
A RETENIR :
- Un objet quantique présente simultanément les aspects particulaire et ondulatoire ;
- Le comportement d’un objet quantique ne peut être prédit que de manière probabiliste et seule l’étude d’un
très grand nombre de particules permet d’établir ce comportement.
Remarques :
- Un système ayant un comportement chaotique est imprévisible ;
- Un système ayant un comportement aléatoire obéit distribution statistique ( les observations
s’interprètent par une loi (mathématique) statistique).
2. Transferts quantiques d’énergie
En 1913, Niels Bohr introduit l’idée qu’un atome ne peut exister que dans certains états d’énergie bien définis,
caractérisés par un niveau d’énergie. Dans son état fondamental l’atome est dans son état d’énergie le plus bas. Les
autres états sont dits états excités.
2.1. Émission spontanée (Rappels de 1ère S)
Un atome excité (par décharge électrique, par chauffage, absorption de lumière, etc.) retourne spontanément à son
état fondamental ou a un état excité d’énergie plus faible en émettant un photon qui emporte l’énergie cédée par
l’atome lors de la transition.

- Un atome dans un état d’énergie Einf peut absorber un photon d’énergie E s’il possède un niveau d’énergie
supérieur Esup tel que :
Esup - Einf = E
- En passant d’un état excité d’énergie Esup à un état d’énergie plus faible Einf, un atome émet un photon
d’énergie :
E = Esup - Einf
A RETENIR :
- Comme tous les atomes possèdent des niveaux d’énergie bien définis, ils ne peuvent absorber que certains
photons de longueur d’onde bien précise : l’émission spontanée est donc quantifiée.
- La longueur d’onde  du photon émis est alors :
sup inf
λEE
hc
- Dans le processus d’émission spontanée, le photon est émis dans une direction aléatoire.
2.2. Émission stimulée
En 1917, Albert Einstein prévoit un autre mode d'émission de lumière : l'émission stimulée. Un photon incident
d'énergie choisie E = h  ν peut forcer un atome, initialement dans l'état excité d'énergie Esup, à passer à un état
d'énergie inférieur Einf plus stable. Ce passage s'accompagne de l'émission d'un photon de même énergie, de même
direction, de même sens de propagation et de même phase que le photon incident.
A RETENIR :
Lorsqu’un photon d’énergie E = Esup – Einf rencontre un atome dans un état excité Esup, cet
atome peut retrouver un état d’énergie plus stable Einf en émettant un photon de même
énergie E = Esup – Einf. Ce mode d’émission de lumière est appelé l’émission stimulée.
Esup
Einf
E
Émission d’un photon
de longueur d’onde :
sup inf
λEE
hc
Esup
Einf
E
Absorption d’un photon
de longueur d’onde :
sup inf
λEE
hc

2.3. Domaines spectraux
Il existe différents types de transitions énergétiques dans la matière conduisant à des gammes d’énergies émises ou
absorbées très différentes :
3. Le LASER
Le mot LASER est un acronyme anglais : « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ». En français :
« amplification lumineuse par émission stimulée de rayonnement ».
 La lumière laser est produite par émission stimulée.
3.1. Principe du LASER
 Le pompage optique (inversion de population) :
Lorsqu’une radiation de fréquence , telle que h = E2 – E1, traverse un milieu dont les atomes sont dans l’état excité
E2, elle provoque la désexcitation des atomes par émission stimulée. L’énergie des atomes est ainsi transférée à
l’onde incidente dont l’énergie se trouve amplifiée. Le milieu traversé par l’onde, appelé milieu actif, constitue alors
un amplificateur de lumière.
Pour que l’amplification soit possible, il faut qu’il y ait beaucoup plus d’atomes
dans un état excité que dans l’état fondamental (qui absorbent les photons).
Pour cela, on réalise une inversion de population, effectuée par pompage : un
excitateur, une décharge électrique ou un faisceau lumineux (on parle alors de
pompage optique), excite les atomes qui passent du niveau fondamental E1 à un
niveau excité E3, légèrement supérieur à E2.
 Les atomes du niveau 3 peuplent le niveau 2 en se désexcitant très
rapidement ce qui réalise l’inversion de population.
 La cavité résonante (amplification) :
Pour amplifier davantage l’onde, on peut lui faire parcourir un très grand nombre d’aller-retour dans le milieu actif.
Pour cela, on réalise une cavité résonante à l’aide de deux miroirs : l’un est un miroir sphérique (concave) et l’autre
est un miroir semi-transparent pour transmettre à l’extérieur de la cavité une partie de la lumière. L’ensemble
constitue l’oscillateur laser.
3.2. Propriétés du LASER
- La couleur d’un laser est celle qui correspond à la fréquence des photons émis lors de la désexcitation
stimulée des atomes de la cavité optique. Cette fréquence étant unique : un faisceau laser est donc
monochromatique ;