LA DUALITÉ ONDE-PARTICULE DE LA LUMIÈRE
On peut donc prévoir qu’il sera très marqué pour les rayonnements γ et X, mais pratiquement
imperceptible pour les ondes hertziennes. Inversement l’aspect ondulatoire du rayonnement
ressort d’autant plus que la longueur d’onde est élevée.
rayonnement
λ (m)
ν (Hz)
E (eV)
rayons gamma
< 2.10 −11
> 1,5.10 19
> 60 000
rayons X
2.10 −11 − 1.10 −8
3.10 16 − 1,5.10 19 125 − 60 000
ultra-violets
1.10 −8 − 4.10 −7
7,5.10 14 − 3.10 16
3 − 125
visible
4.10 −7 − 7,5.10 −7 4.10 14 − 7,5.10 14
1,5 − 3
infrarouges
7,5.10 −7 − 3.10 −4
1.10 12 − 4.10 14
4.10 −3 − 1,5
ondes hertziennes
> 3.10 −4
< 1.10 12
< 4.10 −3
Tableau 6.1 – Longueur d’onde, fréquence et énergie des différents types de photons.
c) Nombre de photons
Dans les expériences d’optique, l’aspect granulaire de la lumière n’apparaît généralement
pas. L’explication est que ces expériences mettent en jeu un très grand nombre de photons à
la seconde.
On peut calculer, par exemple, le nombre de photons émis chaque seconde par un laser
hélium-néon de longueur d’onde λ = 633 nm et de puissance P = 1,0 mW. En Δt = 1 s,
l’énergie lumineuse délivrée par le laser est E laser = PΔt = 1,0.10
−3 J. L’énergie d’un photon
est E =
hc
λ
=
6, 64.10 −34 × 3.10 8
633.10 −9
= 3,1.10 −19 J. Le nombre de photons est donc :
N =
E laser
E
3, 2.10
15
.
C’est un nombre élevé mais, à titre de comparaison, bien plus petit que le nombre d’Avogadro
qui est l’ordre de grandeur du nombre d’atomes ou de molécules dans une expérience de
chimie.
Pour voir les photons un à un, on peut imaginer réduire la puissance du faisceau. En réduisant
d’un facteur 10 9 la puissance, on obtient 3, 2.10 6 photons par seconde, soit un photon toutes
les 0,31.10 −6 s en moyenne. Les photons se déplaçant à la vitesse c = 3,0.10 8 m·s −1 , deux
photons successifs sont alors séparés en moyenne de 3, 0.10 8 × 0,31.10 −6 = 93 m. Avec un
détecteur de résolution temporelle de l’ordre de 10 −7 s, on peut espérer recevoir des photons
un à un. En fait ce système simple ne fonctionne pas correctement : à cause du caractère
aléatoire de l’émission du laser, les photons sont émis irrégulièrement et plusieurs photons
peuvent être détectés en même temps.
On sait cependant produire des photons un à un avec des systèmes beaucoup plus élaborés
appelés sources de photons uniques. Avec de telles sources on réalise des expériences qui
illustrent remarquablement le double aspect, corpusculaire et ondulatoire, de la lumière.
211
On peut donc prévoir qu’il sera très marqué pour les rayonnements γ et X, mais pratiquement
imperceptible pour les ondes hertziennes. Inversement l’aspect ondulatoire du rayonnement
ressort d’autant plus que la longueur d’onde est élevée.
rayonnement
λ (m)
ν (Hz)
E (eV)
rayons gamma
< 2.10 −11
> 1,5.10 19
> 60 000
rayons X
2.10 −11 − 1.10 −8
3.10 16 − 1,5.10 19 125 − 60 000
ultra-violets
1.10 −8 − 4.10 −7
7,5.10 14 − 3.10 16
3 − 125
visible
4.10 −7 − 7,5.10 −7 4.10 14 − 7,5.10 14
1,5 − 3
infrarouges
7,5.10 −7 − 3.10 −4
1.10 12 − 4.10 14
4.10 −3 − 1,5
ondes hertziennes
> 3.10 −4
< 1.10 12
< 4.10 −3
Tableau 6.1 – Longueur d’onde, fréquence et énergie des différents types de photons.
c) Nombre de photons
Dans les expériences d’optique, l’aspect granulaire de la lumière n’apparaît généralement
pas. L’explication est que ces expériences mettent en jeu un très grand nombre de photons à
la seconde.
On peut calculer, par exemple, le nombre de photons émis chaque seconde par un laser
hélium-néon de longueur d’onde λ = 633 nm et de puissance P = 1,0 mW. En Δt = 1 s,
l’énergie lumineuse délivrée par le laser est E laser = PΔt = 1,0.10
−3 J. L’énergie d’un photon
est E =
hc
λ
=
6, 64.10 −34 × 3.10 8
633.10 −9
= 3,1.10 −19 J. Le nombre de photons est donc :
N =
E laser
E
3, 2.10
15
.
C’est un nombre élevé mais, à titre de comparaison, bien plus petit que le nombre d’Avogadro
qui est l’ordre de grandeur du nombre d’atomes ou de molécules dans une expérience de
chimie.
Pour voir les photons un à un, on peut imaginer réduire la puissance du faisceau. En réduisant
d’un facteur 10 9 la puissance, on obtient 3, 2.10 6 photons par seconde, soit un photon toutes
les 0,31.10 −6 s en moyenne. Les photons se déplaçant à la vitesse c = 3,0.10 8 m·s −1 , deux
photons successifs sont alors séparés en moyenne de 3, 0.10 8 × 0,31.10 −6 = 93 m. Avec un
détecteur de résolution temporelle de l’ordre de 10 −7 s, on peut espérer recevoir des photons
un à un. En fait ce système simple ne fonctionne pas correctement : à cause du caractère
aléatoire de l’émission du laser, les photons sont émis irrégulièrement et plusieurs photons
peuvent être détectés en même temps.
On sait cependant produire des photons un à un avec des systèmes beaucoup plus élaborés
appelés sources de photons uniques. Avec de telles sources on réalise des expériences qui
illustrent remarquablement le double aspect, corpusculaire et ondulatoire, de la lumière.
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