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LE PHOTON • •
UNE INTRODUCTION
À LA PHYSIQUE
QUANTIQUE
10
Le photon : retour à la conception corpusculaire de la
lumière?
Comme nous l'avions indiqué au chapitre 2, dans la deuxième moitié du
XIXe siècle, Maxwell avait établi sur des bases solides la nature ondulatoire de la
lumière, en montrant qu'elle était une onde de champ électrique et magnétique
obéissant à quatre équation s, les équations de Maxwell. De nombreux physiciens
avaient approfondi cette analyse, en particulier Hertz et Lorentz, et montré que
les phénomènes lumineux connus trouvaient une explication satisfaisante dans
ce cadre. Hertz avait expérimentalement montré qu'il exi stait aussi des ondes
électromagnétiques de plus basse fréquence, les ondes dites hertziennes, qui
avaient des propriétés analogues à celles de la lumière . À la fin du XIXe siècle,
les physiciens pouvaient être satisfaits : ils avaient résolu pour l' essentiel le problème de la lumière.
Il revient au même Hertz d'avoir introduit une première lézarde dans cet édifice,
par sa découverte fortuite du phénomène dit « effet photoélectrique », que nous
décrirons en détail dans les paragraphes l 0.1. l et l 0.2.2 , et qui ne trouvait pas
d'explication simple dans l'approche électromagnétique. De même, la répartition
spectrale de la lumière émise par un corps chauffé (appel é « rayonnement du
corps noir »), étudiée expérimentalement à la fin du XIXe siècle, ne semblait pas
pouvoir être expliqu ée de manière satisfaisante en termes d'ondes de Maxwell.
C'est Max Planck qui, à l'orée du xxe siècle proposa une explication à ce dernier
phénomène, et montra qu' on trouvait la bonne répartition spectrale à condition
de supposer que les échanges d'énergie entre la matière et la lumière se faisaient par blocs insécables, ou « quanta », h v proportionnels à la fréquence v du
rayonnement , introduisant ain si sa fameuse constante h, la constante de Planck,
caractéristique des phénomènes quantiques .
Reprenant et approfondis sant cette hypothèse révolutionnaire, Einstein en 1905,
en même temps qu'il établi ss ait les bases de la relativité restreinte, émettait
l'hypothèse que « l' énergie d'un rayon lumineux émis par une source ponctuelle
n'est pas continûment distribuée dans un volume de plus en plu s grand, mais
consi ste en un nombre fini de quanta d'énergie qui sont des points localisés dans
l'espace, se déplacent san s se diviser, et qui peuvent être produits et absorbés
en unités complètes ». Il était alors en mesure d'expliquer simplement l' effet
photoélectrique découvert par Hertz : il s' agiss ait donc du retour, mais sur des
bases bien différentes , de l'hypothèse corpu scul aire ch ère à Newton.
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lumière?
Comme nous l'avions indiqué au chapitre 2, dans la deuxième moitié du
XIXe siècle, Maxwell avait établi sur des bases solides la nature ondulatoire de la
lumière, en montrant qu'elle était une onde de champ électrique et magnétique
obéissant à quatre équation s, les équations de Maxwell. De nombreux physiciens
avaient approfondi cette analyse, en particulier Hertz et Lorentz, et montré que
les phénomènes lumineux connus trouvaient une explication satisfaisante dans
ce cadre. Hertz avait expérimentalement montré qu'il exi stait aussi des ondes
électromagnétiques de plus basse fréquence, les ondes dites hertziennes, qui
avaient des propriétés analogues à celles de la lumière . À la fin du XIXe siècle,
les physiciens pouvaient être satisfaits : ils avaient résolu pour l' essentiel le problème de la lumière.
Il revient au même Hertz d'avoir introduit une première lézarde dans cet édifice,
par sa découverte fortuite du phénomène dit « effet photoélectrique », que nous
décrirons en détail dans les paragraphes l 0.1. l et l 0.2.2 , et qui ne trouvait pas
d'explication simple dans l'approche électromagnétique. De même, la répartition
spectrale de la lumière émise par un corps chauffé (appel é « rayonnement du
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pouvoir être expliqu ée de manière satisfaisante en termes d'ondes de Maxwell.
C'est Max Planck qui, à l'orée du xxe siècle proposa une explication à ce dernier
phénomène, et montra qu' on trouvait la bonne répartition spectrale à condition
de supposer que les échanges d'énergie entre la matière et la lumière se faisaient par blocs insécables, ou « quanta », h v proportionnels à la fréquence v du
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Reprenant et approfondis sant cette hypothèse révolutionnaire, Einstein en 1905,
en même temps qu'il établi ss ait les bases de la relativité restreinte, émettait
l'hypothèse que « l' énergie d'un rayon lumineux émis par une source ponctuelle
n'est pas continûment distribuée dans un volume de plus en plu s grand, mais
consi ste en un nombre fini de quanta d'énergie qui sont des points localisés dans
l'espace, se déplacent san s se diviser, et qui peuvent être produits et absorbés
en unités complètes ». Il était alors en mesure d'expliquer simplement l' effet
photoélectrique découvert par Hertz : il s' agiss ait donc du retour, mais sur des
bases bien différentes , de l'hypothèse corpu scul aire ch ère à Newton.
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