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.

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Lumière sur la lumière

Sommaire

• Introduction : onde et corpuscule ?
• La lumière : une onde électromagnétique
• L’expérience des trous d’Young
• La lumière : un corpuscule
• Vous avez l'impression d'avoir tout compris ?

Dossier réalisé par Jérôme Nicolle