Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière

A

Le rayonnement et l’onde électromagnétique

• Le modèle ondulatoire de la lumière explique les phénomènes de diffraction et d'interférences observés lors de la propagation d'énergie lumineuse.
  


• Christian Huygens initie la théorie ondulatoire en 1678.
  


• James Maxwell affine le modèle et prédit l’existence et la célérité de l’onde électromagnétique en 1865.
  


• Une onde électromagnétique (OEM) :
  ❯ est un phénomène vibratoire qui se propage dans le vide et de nombreux milieux (transparents ou non) ;
  ❯ est constituée d’un champ électrique et d’un champ magnétique oscillants, orthogonaux entre eux et orthogonaux à la direction de propagation ;
  ❯ se propage dans le vide à la célérité $c=3,00\times 10^8$ m·s^-1.

B

Les caractéristiques d’une OEM

• Caractéristiques de l'onde électromagnétique monochromatique :
  ❯ sa longueur d’onde, notée $\lambda$ (lambda), qui correspond à sa période spatiale. Elle s'exprime en mètre (m) ;
  ❯ sa fréquence, notée $\nu$ (nu) ou $f$, correspond à l’inverse de la période temporelle $T.$ Elle s’exprime en hertz (Hz).
  


• Longueur d’onde $\lambda$ et fréquence $\nu$ sont reliées dans le vide par : $\lambda =\frac{c}{\nu }.$

C

Le spectre électromagnétique

• Les informations perçues visuellement par l'être humain peuvent être limitées.


• Le domaine visible (400 nm < m < 800 nm) n’est qu’une infime partie des ondes électromagnétiques.


• Le spectre électromagnétique est divisé en sept sous-domaines principaux selon les longueurs d'onde : les rayons $\gamma$, les rayons X, les ultraviolets, le visible, les infrarouges (proches et lointains), les micro-ondes et les ondes radio.

A

L’imperfection du modèle ondulatoire

• Les lois de l'électromagnétisme :
  ❯ sont formulées par Maxwell au XIX^e siècle ;
  ❯ expliquent de nombreuses observations expérimentales ;
  ❯ ne permettent pas d’interpréter le rayonnement émis par des corps chauffés ni l’effet photoélectrique.


• Le modèle ondulatoire explique :
  ❯ la propagation de la lumière (OEM) ;
  ❯ la formation des images ;
  ❯ est inopérant pour expliquer les interactions d’énergies avec la matière.

B

Le photon et son énergie

• La quantification de l'énergie de l'onde :
  ❯ est proposée par Planck en 1900 ;
  ❯ permet de modéliser les interactions entre la matière et le rayonnement en coïncidence avec l'observation d'un corps noir ;
  ❯ s'effectue à l'aide d'un paquet d'énergie : le quantum;
  ❯ c'est la théorie des quanta : tout échange d’énergie avec la matière est un multiple entier de ce minimum d’énergie.


• L'effet photoélectrique :
  ❯ est expliqué par Einstein en 1905 ;
  ❯ Einstein associe l'idée de quantum à une structure particulaire de la lumière : le photon (une particule de masse et de charge électrique nulles, se déplaçant dans le vide à la vitesse de la lumière) ;
  ❯ un rayonnement est constitué d’un nombre entier de photons possédant chacun une énergie minimale égale au quantum d’énergie :
  
  
  $E_{photon}=h\cdot \nu .$
  
  avec :
  • $E_{photon}$ en joule (J)
  • $\nu$ la fréquence en hertz (Hz). $h$
  • la constante de Planck : $h=6,63\times 10^{-34}$ J·s.

Remarque : l’énergie d’un photon est d’autant plus grande que sa fréquence est élevée et donc que sa longueur d’onde est faible.

A

Le diagramme d’énergie d’un atome

• Chaque atome possède une structure électronique de couches et sous-couches sur lesquelles se répartissent les électrons.
  


• Chaque sous-couche associée à une orbite possède sa propre énergie caractéristique.
  


• On utilise un diagramme énergétique pour représenter les différents niveaux d’énergie intrinsèques à l’atome.
  ❯ Chaque niveau d'énergie est modélisé par une ligne horizontale. À chaque niveau correspond un état.
  ❯ On reporte leur valeur d'énergie sur un axe vertical exprimé en électron-volt (eV).
  ❯ L’énergie de l’atome correspond à la somme des énergies de chaque électron.


• Il existe deux types d’états :
  ❯ l’état fondamental, souvent noté $E_1$ ;
  ❯ les états supérieurs, dits excités.
  


• L’état ionisé = état limite pour lequel l’électron a quitté l’atome, il correspond au niveau d'énergie $E_{\infty }=0$ eV, tous les autres niveaux ont une énergie négative.
  


• D’après Niels Bohr (1913), l’atome n’est stable que pour certaines valeurs d’énergie discrètes bien définies. Son énergie est dite quantifiée.

B

L’émission et l’absorption d’un photon

• Lors d’une transition entre deux niveaux d’énergie, notés $E_n$ et $E_m$ :
  ❯ l'énergie d'un atome augmente ou diminue, respectivement en absorbant ou en émettant un photon ;
  ❯ l’énergie échangée $\mid \Delta E\mid$ par l’atome possède exactement une valeur égale à la différence des niveaux d’énergie $\mid \Delta E_{atome}\mid =\mid E_n-E_m\mid$ ;
  ❯ la variation d’énergie de l’atome est égale à l’énergie d’un photon.

Il existe deux modèles de description de la lumière : ondulatoire et particulaire. Suivant la situation, on utilise l’un ou l’autre. Il s’agit de la dualité onde-particule.

• la propagation des ondes (seconde) ;
• les phénomènes de réfraction et réflexion de la lumière, les phénomènes de diffraction et d’interférence.

• les interactions de faible énergie avec la matière au niveau atomique, comme l’effet photoélectrique.

• les interactions de faible énergie avec la matière au niveau atomique, comme l’effet photoélectrique.

• la propagation des ondes (seconde) ;
• les phénomènes de réfraction et réflexion de la lumière, les phénomènes de diffraction et d’interférence.