LA DUALITÉ ONDE-PARTICULE DE LA LUMIÈRE
Des expériences, menées par Robert Andrews Millikan entre 1905 et 1915, confirmèrent
cette formule et donnèrent une valeur de la constante de Planck en bon accord avec la valeur
provenant des expériences sur le rayonnement thermique. Einstein reçut le prix Nobel de
physique pour son travail sur l’effet photoélectrique en 1922.
c) La diffusion Compton
Le phénomène qui finit de convaincre la communauté scientifique de l’existence de particules associées au rayonnement électromagnétique est la diffusion Compton découverte par
Arthur Compton en 1922.
La diffusion d’un rayonnement est le phénomène selon lequel un échantillon de matière, recevant un rayonnement incident, renvoie dans tout l’espace un rayonnement de même nature
appelé onde diffusée.
Classiquement on explique la diffusion des ondes électromagnétiques par le fait que les électrons contenus dans la matière sont mis en mouvement sous l’action du champ électromagnétique de l’onde incidente. L’onde diffusée est créée par les électrons en mouvement qui
oscillent à la fréquence de l’onde incidente (parce que le principe fondamental de la dynamique est une équation linéaire, comme on le verra dans la partie Mécanique de ce livre).
L’onde diffusée a donc la même fréquence que l’onde incidente (parce que les équations de
l’électromagnétisme sont aussi linéaires, voir cours de deuxième année).
En envoyant des rayons X de longueur d’onde λ = 0,071 nm sur une cible de carbone,
A. Compton observa un rayonnement diffusé de longueur d’onde différente de la longueur
d’onde incidente, en contradiction avec la théorie classique. Il put interpréter les résultats expérimentaux en faisant hypothèse d’une collision entre les électrons contenus dans l’échantillon et des particules arrivant avec le rayonnement incident (voir figure 6.2), particules dotées de l’énergie E = hν =
hc
λ
et de la quantité de mouvement :
p =
hν
c
=
h
λ
.
Au cours de cette collision la particule du rayonnement perd une partie de son énergie, ce qui
explique qu’elle reparte avec une énergie E < E, donc une fréquence ν < ν et une longueur
d’onde λ > λ . Le calcul fondé sur les lois de la mécanique relativiste donne des résultats
quantitatifs en parfait accord avec l’expérience.
E = hν
E = hν
θ
électron
au repos
avant la collision
après la collision
Figure 6.2 – Effet Compton : collision entre un photon et un électron. Le calcul
relativiste donne : λ − λ =
h
m e c
(1 − cos θ ) où m e est la masse de l’électron.
209
Des expériences, menées par Robert Andrews Millikan entre 1905 et 1915, confirmèrent
cette formule et donnèrent une valeur de la constante de Planck en bon accord avec la valeur
provenant des expériences sur le rayonnement thermique. Einstein reçut le prix Nobel de
physique pour son travail sur l’effet photoélectrique en 1922.
c) La diffusion Compton
Le phénomène qui finit de convaincre la communauté scientifique de l’existence de particules associées au rayonnement électromagnétique est la diffusion Compton découverte par
Arthur Compton en 1922.
La diffusion d’un rayonnement est le phénomène selon lequel un échantillon de matière, recevant un rayonnement incident, renvoie dans tout l’espace un rayonnement de même nature
appelé onde diffusée.
Classiquement on explique la diffusion des ondes électromagnétiques par le fait que les électrons contenus dans la matière sont mis en mouvement sous l’action du champ électromagnétique de l’onde incidente. L’onde diffusée est créée par les électrons en mouvement qui
oscillent à la fréquence de l’onde incidente (parce que le principe fondamental de la dynamique est une équation linéaire, comme on le verra dans la partie Mécanique de ce livre).
L’onde diffusée a donc la même fréquence que l’onde incidente (parce que les équations de
l’électromagnétisme sont aussi linéaires, voir cours de deuxième année).
En envoyant des rayons X de longueur d’onde λ = 0,071 nm sur une cible de carbone,
A. Compton observa un rayonnement diffusé de longueur d’onde différente de la longueur
d’onde incidente, en contradiction avec la théorie classique. Il put interpréter les résultats expérimentaux en faisant hypothèse d’une collision entre les électrons contenus dans l’échantillon et des particules arrivant avec le rayonnement incident (voir figure 6.2), particules dotées de l’énergie E = hν =
hc
λ
et de la quantité de mouvement :
p =
hν
c
=
h
λ
.
Au cours de cette collision la particule du rayonnement perd une partie de son énergie, ce qui
explique qu’elle reparte avec une énergie E < E, donc une fréquence ν < ν et une longueur
d’onde λ > λ . Le calcul fondé sur les lois de la mécanique relativiste donne des résultats
quantitatifs en parfait accord avec l’expérience.
E = hν
E = hν
θ
électron
au repos
avant la collision
après la collision
Figure 6.2 – Effet Compton : collision entre un photon et un électron. Le calcul
relativiste donne : λ − λ =
h
m e c
(1 − cos θ ) où m e est la masse de l’électron.
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