LUMIÈRE

Optique corpusculaire, le photon

Le xix^e siècle vit le triomphe de l'optique ondulatoire, qui permettait d'analyser bien des phénomènes liés à la lumière (diffraction, polarisation, etc.), mais certains opposaient encore une résistance.

Le premier d'entre eux est l'effet photoélectrique observé par Hertz en 1887 (l'explication en 1905 vaudra à Einstein son prix Nobel de 1921). Lorsqu'on éclaire un métal, on peut lui arracher des électrons et mesurer un courant électrique si l'on ferme le circuit. Il existe un seuil d'apparition de ce courant, lié, non pas à l'intensité du flux lumineux, mais à la longueur d'onde de la lumière (par exemple λ < 290 nm pour le cuivre, ce qui correspond au domaine de l'ultraviolet). À noter : les cellules photovoltaïques utilisent ce principe pour produire de l'électricité, le métal étant remplacé par des semi-conducteurs à base de silicium.

Le second sujet de discussion de cette fin de xix^e siècle est le « corps noir ». Tous les objets chauffés émettent un rayonnement électromagnétique, visible ou non ; plus l'objet est chaud, plus ce rayonnement se déplace vers les courtes longueurs d'onde. Ce rayonnement – dit thermique – ne dépend pas de la nature de l'objet mais de sa température. Pour appréhender ce phénomène, les physiciens ont imaginé un objet modèle, le « corps noir » : il absorbe toutes les composantes du rayonnement électromagnétique, les convertit en énergie interne et émet de la lumière dont la distribution spectrale est une fonction de sa température (loi de Wien de 1896). Les théories de la thermodynamique classique ne parvenant pas à reproduire cette loi aux courtes longueurs d'onde, le physicien allemand Max Planck fut amené, en 1900, à introduire un outil de calcul : il supposa que l'énergie lumineuse du corps noir ne peut être émise que par paquets (ou éléments d'énergie) et que la quantité d'énergie dans chaque paquet dépend de la longueur d'onde de la lumière.

Einstein franchit le pas en affirmant que ces « paquets », ou quanta, ne sont pas de simples artifices de calcul mais une réalité. La lumière est composée de petits grains d'énergie pure, de masse nulle, qui seront baptisés photons – du mot grec qui signifie lumière – en 1926 par le chimiste américain Lewis. La quantité d'énergie E transportée par chacun de ces petits grains est proportionnelle à la fréquence de la lumière ν (ou inversement proportionnelle à la longueur d'onde λ) : E = hν = hc/λ, où h est la constante de Planck (h=6,626 × 10^—34 J.s). De façon très imagée, un « photon violet » (λ = 400 nm) transporte deux fois plus d'énergie qu'un « photon rouge » (λ = 800 nm). L'effet de seuil en longueur d'onde dans l'effet photoélectrique peut ainsi être expliqué et les conséquences pour la compréhension de l'interaction lumière-matière sont considérables.

L'aspect corpusculaire de la lumière peut être directement mis en évidence expérimentalement : on sait aujourd'hui enregistrer l'impact d'un photon unique sur un détecteur. D'autre part, bien qu'ils soient dépourvus de masse, les photons peuvent exercer une pression, dite pression de radiation : on explique ainsi que la queue de poussières des comètes est toujours dirigée du côté opposé au Soleil.

La lumière serait donc à la fois ondulatoire et corpusculaire, l'une ou l'autre des approches étant utilisée pour expliquer tel ou tel phénomène. Au début du xx^e siècle furent donc posées les bases de la physique quantique, qui concerne non seulement la lumière, mais également les objets de très petite taille (particules, atomes,...). Le physicien français Louis de Broglie associa une longueur d'onde aux particules ( λ = h/p où p est la quantité de mouvement) et on put observer pour la première fois en 1927 la diffraction des électrons par des cristaux, montrant que des particules matérielles se comportaient comme des ondes.

Aujourd'hui, les physiciens ne débattent plus guère pour savoir si la lumière est onde, particule ou les deux. Elle n'est plutôt ni l'une ni l'autre mais un objet différent sans équivalent à notre échelle, décrit par les lois de la physique quantique.

Dans les théories modernes de la physique des particules, le photon est l'une des particules élémentaires du modèle standard. C'est un boson vecteur, qui sert à transporter l'interaction électromagnétique.

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Réflexion et réfraction de la lumière
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Lumière : phénomènes ondulatoires
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Lumière : propagation du champ électromagnétique
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Ondes électromagnétiques
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