Dualité onde – particule

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Chap 18 Dualité onde – particule
La nature de la lumière est longtemps restée … obscure !
Au XVIIe siècle le néerlandais Christian Huygens postule que la lumière est une onde, alors que le
britannique Isaac Newton affirme la nature corpusculaire de la lumière. La théorie qui sera retenue est
celle de Newton, celui-ci jouissant alors d’un très grand prestige scientifique.
I. Tout commence avec la lumière :
 Au début du XIXe siècle, Thomas Young (en 1801 avec les «
fentes d’Young ») et Augustin Fresnel (en 1815 sur la
polarisation de la lumière) réalisent des expériences de
diffraction de la lumière. Les résultats de ces expériences
confirment la nature ondulatoire de la lumière
Pourtant, de nouvelles observations expérimentales viennent bouleverser cette certitude.
 En 1887, Heinrich Hertz découvre l’effet photoélectrique: des
électrons sont arrachés à une surface métallique lorsqu’elle
est frappée par un rayonnement électromagnétique.
Mais pour chaque métal il existe une longueur d’onde seuil
en-dessous de laquelle aucun électron n’est émis. Cela ne
s’explique pas avec le modèle ondulatoire de la lumière.
 En 1905, Albert Einstein réintroduit l’aspect corpusculaire de
la lumière, afin d’expliquer l’effet photoélectrique : la lumière
est constituée de particules: les photons qui transportent une énergie est bien déterminée. Ces
photons sont capables, en interagissant avec la matière, d’arracher des électrons aux atomes.
Le photon est une particule :
- de masse nulle, se déplaçant avec la célérité dans le vide c = 3,0.108m/s,
- d’énergie E = h. avec h la constante de Planck h = 6,62.10-34 J.s et  la fréquence en Hz
 L’effet Compton découvert en 1923, est la manifestation la plus
caractéristique de l’aspect particulaire, lorsque des rayons X sont
envoyés sur une cible de graphite, on constate une augmentation
de la longueur d’onde des rayons X diffusés.
Conclusion : La lumière se comporte selon les conditions d’expérience soit comme une onde soit
comme un corpuscule.

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II. Extension à la matière : particules et ondes de matière
Comment la physique a-t-elle pu unifier deux concepts aussi opposées que les comportements ondulatoire
et particulaire de mêmes objets ?
Réponses :
d ; la longueur d’onde

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En 1924 De Broglie généralise la dualité onde-particule admise pour la lumière à tous objets
microscopiques (électrons protons neutrons..). Cette dualité a été mise en évidence en 1927 par
l'observation du phénomène de diffraction puis, plus tard, d'interférence pour les électrons.
De Broglie introduit la notion d'onde de matière.
A retenir :
A chaque particule en mouvement est associée une onde de matière, de longueur d’onde , lié à la
quantité de mouvement p de la particule par : p = h/ (la relation de De Broglie)
Unité de p : J.s/m ou kg.m/s
rappel : p= m.v (chap loi de newton)
Remarque: Le comportement ondulatoire des objets microscopiques est significatif lorsque la dimension
de l'obstacle ou de l'ouverture est du même ordre de grandeur que leur longueur d'onde .
Application 1: Déterminer la longueur d'onde de l'onde de matière associée à un électron de masse
m = 9,1x10-31 kg et d’énergie cinétique Ec= 54 eV. Quelle est la taille de l'ouverture permettant d'observer
la diffraction d'un faisceau d'électrons possédant ces caractéristiques?
=2,3.10-10 m taille de l’ouverture a  10-10 m

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Application 2 : les élèves (de masse moyenne 60kg) qui passent par la porte de la salle 205 (de largeur
1m) avec une vitesse de 2,0 m/s peuvent-ils être diffracté ?
=5,5.10-36 m très très petit devant la largeur de la porte, pas de diffraction, pas de caractère ondulatoire
III. Aspect probabiliste des phénomènes quantiques
Une équipe de scientifiques japonais des laboratoires de recherche Hitachi refirent l'expérience des fentes faite par
Young, mais avec des électrons. Ceux-ci, lancés un à un, tombaient sur un écran en émettant un point lumineux.
L'écran «mémorisait» chaque arrivée, de sorte qu'une image se formait peu à peu, à mesure que les électrons y
parvenaient.
Le fait que chaque électron produit un point lumineux, suite à l’impact avec l’écran prouve leur caractère
corpusculaire. Mais on fut surpris de voir que l'accumulation de ces points formait une figure très nette, une figure
d’interférences.
Ainsi, bien que les électrons ne voyagent pas ensemble, ils forment le motif caractéristique des ondes qui passent par
deux fentes. Tout se passe comme si chaque électron savait où avaient atterri ses prédécesseurs, où allaient atterrir
ses successeurs, et où lui-même avait sa propre place sur la figure. C'est là une belle démonstration de l'étrangeté du
monde quantique pour les profanes.
L'électron ne « sait » rien, bien entendu. Il suit simplement les règles aveugles du hasard, de la même façon qu'un dé
ne sait pas quels numéros sont sortis avant lui, ni ceux qui vont sortir après. La probabilité que le chiffre 3 sorte reste
de un sur six. La probabilité est totalement inhérente à la physique quantique. La physique quantique - John GRIBBIN
Questions
1. L’expérience des fentes faite par Young avec la lumière a été refaite par une équipe de chercheurs japonais.
En quoi consiste cette expérience ? L’expérience des fentes d’Young a été refaite avec des électrons
2. Quel caractère possède un électron, du fait qu’il produise un point lumineux ? Un caractère corpusculaire
3. Quelle était la surprise à la suite de l’expérience faite avec les électrons ? On obtient une figure
d’interférences avec des corpuscules comme avec des ondes lumineuses.

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4. La figure obtenue sur l’écran permet de prouver qu’un électron possède un autre caractère. De quel
caractère s’agit-il ? L’électron possède alors un caractère ondulatoire
5. Le texte stipule que « La probabilité est totalement inhérente à la physique quantique ». Que signifie cette
affirmation ?
Au fur et à mesure que les électrons arrivent sur la plaque, leurs impacts se répartissent de façon
aléatoire. Dans cette expérience, on ne peut pas prévoir la position de l'impact d'un électron. La
probabilité pour qu’il frappe l’écran en x est proportionnel à l’intensité lumineuse calculée dans la
théorie ondulatoire.
A retenir : Le comportement d’un objet quantique (ici l’électron) est un mélange de comportement
ondulatoire et particulaire, d'où le terme dualité onde-particule.
Les particules quantiques sont soumises à des lois de probabilités. Seule l’étude d’un grand nombre
de particules permet d’établir un comportement.