Dualité onde-corpuscule
La dualité onde-particule est peut-être l'un des concepts les plus déroutants de la physique, car elle ne ressemble en rien à ce que nous voyons dans le monde ordinaire.
Les physiciens qui ont étudié la lumière dans les années 1700 et 1800 se sont disputés pour savoir si la lumière était faite de particules ou d'ondes. La lumière semble faire les deux. Parfois, la lumière semble aller seulement en ligne droite, comme si elle était faite de particules. Mais d'autres expériences montrent que la lumière a une fréquence et une longueur d'onde, tout comme une onde sonore ou une onde d'eau. Jusqu'au XXe siècle, la plupart des physiciens pensaient que la lumière était soit l'un soit l'autre, et que les scientifiques de l'autre côté de l'argument avaient tout simplement tort.
Situation actuelle
Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton, Niels Bohr ont travaillé sur ce problème. La théorie scientifique actuelle est que toutes les particules agissent à la fois comme des ondes et comme des particules. Cela a été vérifié pour les particules élémentaires, et pour les particules composées comme les atomes et les molécules. Pour les particules macroscopiques, en raison de leurs longueurs d'onde extrêmement courtes, les propriétés des ondes ne peuvent généralement pas être détectées.
Expérience
En 1909, un scientifique du nom de Geoffrey Taylor a décidé qu'il allait régler cette dispute une fois pour toutes. Il a emprunté une expérience inventée plus tôt par Thomas Young, où la lumière était éclairée par deux petits trous situés juste à côté l'un de l'autre. Lorsque de la lumière brillante était projetée à travers ces deux petits trous, cela créait un motif d'interférence qui semblait montrer que la lumière était en fait une onde.
L'idée de Taylor était de prendre une photo de la lumière qui sortait des trous avec un appareil photo spécial qui était exceptionnellement sensible à la lumière. Quand une lumière vive traversait les trous, la photo montrait un motif d'interférence, comme l'a montré Young plus tôt. Taylor a alors baissé la lumière à un niveau très faible. Lorsque la lumière était suffisamment faible, les photos de Taylor montraient de minuscules points de lumière se dispersant hors des trous. Cela semblait montrer que la lumière était en fait une particule. Si Taylor a laissé la faible lumière briller à travers les trous pendant assez longtemps, les points ont fini par remplir la photo pour former à nouveau un motif d'interférence. Cela a démontré que la lumière était en quelque sorte à la fois une onde et une particule.
Pour rendre les choses encore plus confuses, Louis de Broglie a suggéré que la matière pourrait agir de la même manière. Les scientifiques ont alors réalisé ces mêmes expériences avec des électrons, et ont découvert que les électrons aussi sont en quelque sorte à la fois des particules et des ondes. Les électrons peuvent être utilisés pour réaliser l'expérience à double fente de Young.
Aujourd'hui, ces expériences ont été réalisées de tant de manières différentes par tant de personnes différentes que les scientifiques acceptent simplement que la matière et la lumière sont en quelque sorte des ondes et des particules. Les scientifiques ne savent toujours pas comment cela peut être, mais ils sont tout à fait certains que cela doit être vrai. Bien qu'il semble impossible de comprendre comment quelque chose peut être à la fois une onde et une particule, les scientifiques ont un certain nombre d'équations pour décrire ces choses qui ont des variables à la fois pour la longueur d'onde (une propriété de l'onde) et le moment (une propriété de la particule). Cette impossibilité apparente est appelée la dualité onde-particule.
Théorie de base
La dualité onde-particule signifie que toutes les particules présentent à la fois des propriétés d'onde et de particule. C'est un concept central de la mécanique quantique. Les concepts classiques comme "particule" et "onde" ne décrivent pas entièrement le comportement des objets à l'échelle quantique.
Les particules sous forme d'ondes
Un électron a une longueur d'onde appelée "longueur d'onde de Broglie". Elle peut être calculée à l'aide de l'équation
λ D = h ρ {\displaystyle \lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}}
λ D {\displaystyle \lambda _{D}}
est la longueur d'onde de Broglie.
h {\displaystyle h}
est la constante de Planck
ρ {\displaystyle \rho }
est l'impulsion de la particule.
C'est ainsi qu'est née l'idée que les électrons des atomes présentent une forme d'onde stationnaire.
Les ondes sous forme de particules
L'effet photoélectrique montre qu'un photon lumineux qui a suffisamment d'énergie (une fréquence suffisamment élevée), peut provoquer la libération d'un électron à la surface d'un métal. Dans ce cas, les électrons peuvent être appelés photoélectrons.
Pages connexes
- Max Planck
- Mécanique quantique
