L’origine de la lumière suscite des interrogations depuis toujours. Certains, comme Platon, sont même allés jusqu’à imaginer que l’œil éclairait l’objet… Que savons nous, aujourd’hui, sur ce phénomène qui nous illumine ?
Un peu d’histoire
Il était une fois deux scientifiques du XVIIe siècle, Christiaan Huygens et Isaac Newton, qui « voyaient » la lumière différemment. Le premier considérait celle-ci comme une onde, le deuxième comme un ensemble de particules.
Au début du XIXe siècle, les expériences de diffraction et d’interférences faites par Thomas Young et Augustin Fresnel prouvent le caractère ondulatoire de la lumière. Huygens semblait donc avoir raison, la lumière est une onde !
Einstein met tout le monde d’accord en 1905. Il démontre l’aspect corpusculaire de la lumière en interprétant l’effet photoélectrique, une expérience de l’Allemand Heinrich Hertz. Cette découverte lui vaudra le Prix Nobel en 1921. Gilbert Newton Lewis baptisera ces corpuscules « photons » en 1926.
Depuis cette découverte, on parle de la dualité onde-corpuscule de la lumière.
La lumière : une onde électromagnétique
Les ondes électromagnétiques sont une combinaison de deux perturbations, l’une magnétique, l’autre électrique. Celles-ci oscillent perpendiculairement l’une de l’autre, et se déplacent à environ 300 000 km/s, soit la vitesse de la lumière.
Cette vitesse est en fait celle de toutes les ondes électromagnétiques dans le « presque » vide, si tant est qu’on puisse réaliser un vide parfait. Celles-ci n’ont pas besoin de support pour se déplacer, contrairement aux ondes sonores, qui ont besoin d’un milieu comme l’eau ou l’air pour se propager. Chaque onde électromagnétique est définie par sa longueur d’onde ou par sa fréquence. Exprimée en Hertz, cette dernière correspond au nombre de ses oscillations par seconde.
Ces deux nombres inversement proportionnels sont liés par une relation mathématique simple. Si on a l’un on peut avoir l’autre, et inversement.
L’expérience des trous d’Young
Cette expérience célèbre du début du XIXe siècle prouve l’aspect ondulatoire de la lumière (elle fonctionne aussi pour le son, qui est une onde différente, mais une onde quand même). Cette manipulation fait appel a deux notions, indépendantes l’une de l’autre : la diffraction et les interférences.
Pour cette manipulation, il est souhaitable pour des raisons pratiques de visualisation de disposer d’une source de lumière monochromatique, c’est-à-dire émettant une seule longueur d’onde. En disposant une source de lumière de longueur d’onde connue devant un trou de dimension proche de cette longueur, on observe ce qu’on appelle un phénomène de diffraction : la lumière ressort du trou en allant dans toutes les directions possibles. Cela crée des irisations sur l’écran, c’est-à-dire que les contours du rond de lumière ne sont pas nets.
Pour notre expérience, nous faisons deux trous, il se produit donc deux diffractions.
Mais ces deux trous constituent aussi deux sources de lumières synchrones, c’est-à-dire deux sources qui émettent la même lumière, de la même manière (en phase), à chaque instant.
Les rayons lumineux sortant des trous agissent alors comme deux ondes qui se superposent, c’est ce que nous visualisons sur l’écran. A certains endroits elles s’ajoutent l’une à l’autre, ailleurs elles s’annulent mutuellement, et cela en fonction de la distance qui sépare l’une et l’autre source de l’endroit de l’écran qui nous intéresse. C’est ce qui produit le phénomène qui est projeté : des franges alternativement sombres et claires, que l’on appelle franges d’interférences. On dit alors qu’il y a un phénomène d’interférence.
Généralement et lorsque les trous sont très petits, les phénomènes de diffraction et d’interférence s’additionnent. Ce que nous voyons alors sur l’écran est l’association des deux phénomènes.
La lumière : un corpuscule
En 1905, Einstein met en évidence le comportement corpusculaire de la lumière grâce à l’interprétation qu’il fait de l’effet photoélectrique : il montre que la lumière peut agir non seulement comme une onde, mais aussi comme des quanta d’énergie, des « paquets d’ondes », plus tard appelés photons. Ceux-ci n’ont pas de masse et se déplacent à la vitesse de la lumière.
Cette manipulation consiste à éclairer une plaque de métal par une source de lumière, qui est constituée d’ondes électromagnétiques. Par ailleurs, la plaque de métal est constituée d’atomes métalliques, connus pour pouvoir perdre facilement leurs électrons.
Pour l’expérience, nous considérons d’abord la lumière comme une onde : c’est l’hypothèse à infirmer.
Nous remarquons alors deux phénomènes :
- Le nombre d’électrons éjectés dépend uniquement de l’intensité de la source.
- Les électrons sont émis seulement si la longueur d’onde des rayons émis par l’ampoule est assez courte (ce qui revient à dire qu’elle a une fréquence élevée donc aussi une énergie élevée). Il en va ainsi des UV, qui nous « brûlent », et pour cause puisqu’ils sont assez énergétiques pour le faire. Ainsi, une ampoule classique ne peut être utilisée dans cette expérience : les rayons lumineux ne sont pas assez énergétiques même si l’ampoule éclaire fortement.
On se retrouve alors devant des résultats inexplicables avec la théorie ondulatoire.
En effet, si l’énergie de l’onde électromagnétique était continue dans le temps, il suffirait d’augmenter l’intensité de l’ampoule pour accroître le phénomène et ainsi arriver à une valeur suffisante pour libérer un électron. Eh bien non, ce n’est pas l’intensité de lumière (luminosité) qui entre en jeu mais l’énergie, liée directement à la fréquence, donc à la longueur d’onde.
Einstein interprète alors ces résultats en faisant appel à la notion de corpuscules. Pour lui, le rayonnement émis par l’ampoule n’est pas continu : il est constitué de paquets d’énergie, de quanta (quantités d’énergie) : les photons. La « taille » de ces « billes d’énergie”, est déterminée seulement par la fréquence de la source. L’intensité, quant à elle, influe uniquement sur leur nombre.
Il faut donc choisir la bonne source qui émet des photons assez énergétiques pour éjecter l’électron.
C’est un peu comme si on essayait de déplacer une boule de pétanque en jetant des cochonnets dessus : si on augmente le nombre de cochonnets, la boule, trop lourde, ne bougera pas pour autant. Il faut donc plus d’énergie pour la faire bouger et donc envoyer une plus grosse bille, suffisamment lourde, ou autrement dit, qui possède plus d’énergie.
Les applications directes de cette expérience sont les panneaux solaires constitués de cellules photovoltaïques. Elles utilisent l’effet photo-électrique pour générer directement de l’énergie électrique à partir de la lumière UV émise par le soleil, suffisamment énergétique.
