6 : Photons et ondes de matière

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Dans ce chapitre, vous découvrirez le quantum énergétique, un concept introduit en 1900 par le physicien allemand Max Planck pour expliquer le rayonnement du corps noir. Nous expliquons comment Albert Einstein a étendu le concept de Planck à un quantum de lumière (un « photon ») pour expliquer l'effet photoélectrique. Nous montrons également comment le physicien américain Arthur H. Compton a utilisé le concept des photons en 1923 pour expliquer les changements de longueur d'onde observés dans les rayons X. Après une discussion sur le modèle de Bohr pour l'hydrogène, nous décrivons comment les ondes de matière ont été postulées en 1924 par Louis-Victor de Broglie pour justifier le modèle de Bohr et nous examinons les expériences menées en 1923-1927 par Clinton Davisson et Lester Germer qui ont confirmé l'existence des ondes de matière de Broglie.

6.1 : Prélude aux photons et aux ondes de matière
Deux des concepts les plus révolutionnaires du XXe siècle étaient la description de la lumière comme un ensemble de particules et le traitement des particules comme des ondes. Ces propriétés ondulatoires de la matière ont conduit à la découverte de technologies telles que la microscopie électronique, qui nous permet d'examiner des objets submicroscopiques tels que des grains de pollen, comme indiqué ci-dessus.
6.2 : Rayonnement du corps noir
Tous les corps dégagent de l'énergie. La quantité de rayonnement émise par un corps dépend de sa température. La loi de déplacement expérimentale de Wien stipule que plus le corps est chaud, plus la longueur d'onde correspondant au pic d'émission de la courbe de rayonnement est courte. La loi expérimentale de Stefan stipule que la puissance totale du rayonnement émis sur l'ensemble du spectre de longueurs d'onde à une température donnée est proportionnelle à la quatrième puissance de la température Kelvin du corps rayonnant.
6.3 : Effet photoélectrique
L'effet photoélectrique se produit lorsque des photoélectrons sont éjectés d'une surface métallique en réponse à un rayonnement monochromatique incident sur la surface. Il possède trois caractéristiques : (1) il est instantané, (2) il ne se produit que lorsque le rayonnement est supérieur à une fréquence de coupure, et (3) les énergies cinétiques des photoélectrons à la surface ne dépendent pas de l'intensité du rayonnement. L'effet photoélectrique ne peut pas être expliqué par la théorie classique.
6.4 : L'effet Compton
L'effet Compton est le terme utilisé pour désigner un résultat inhabituel observé lorsque des rayons X sont diffusés sur certains matériaux. Selon la théorie classique, lorsqu'une onde électromagnétique est diffusée par des atomes, la longueur d'onde du rayonnement diffusé devrait être la même que la longueur d'onde du rayonnement incident. Contrairement à cette prédiction de la physique classique, les observations montrent que lorsque les rayons X sont diffusés par certains matériaux, tels que le graphite, les rayons X diffusés ont des longueurs d'onde différentes de celles de l'onde
6.5 : Modèle de Bohr pour l'atome d'hydrogène
La physique classique ne peut pas expliquer le spectre de l'hydrogène atomique. Le modèle de Bohr de l'hydrogène a été le premier modèle de structure atomique à expliquer correctement les spectres de rayonnement de l'hydrogène atomique. Il a été précédé par le modèle nucléaire de Rutherford de l'atome. Dans le modèle de Rutherford, un atome est constitué d'un noyau ponctuel chargé positivement qui contient presque toute la masse de l'atome et d'électrons négatifs situés loin du noyau.
6.6 : Les ondes de matière de De Broglie
Selon l'hypothèse de Broglie, les photons sans masse ainsi que les particules massives doivent satisfaire à un ensemble commun de relations reliant l'énergie E à la fréquence f et le moment linéaire p à la longueur d'onde λ.
6.7 : Dualité onde-particule
La dualité onde-particule existe dans la nature : dans certaines conditions expérimentales, une particule agit comme une particule ; dans d'autres conditions expérimentales, une particule agit comme une onde. À l'inverse, dans certaines circonstances physiques, le rayonnement électromagnétique agit comme une onde et, dans d'autres circonstances physiques, le rayonnement agit comme un faisceau de photons. Les expériences à double fente de l'ère moderne avec des électrons ont démontré de manière concluante que les images de diffraction des électrons se forment en raison de la nature ondulatoire des électrons.
6.A : Photons et ondes de matière (Réponse)
6.E : Photons et ondes de matière (exercice)
6.S : Photons et ondes de matière (résumé)

Vignettes : Une configuration expérimentale pour étudier l'effet photoélectrique. L'anode et la cathode sont enfermées dans un tube de verre sous vide. Le voltmètre mesure la différence de potentiel électrique entre les électrodes et l'ampèremètre mesure le photocourant. Le rayonnement incident est monochromatique.