Quantique (2) – Quantum

On sait à quelle hypothèse M. Planck a été conduit par ses recherches sur les lois du rayonnement. D’après lui, l’énergie des radiateurs lumineux varierait d’une manière discontinue, et c’est ce qu’on appelle la théorie des Quanta. Il est à peine nécessaire de faire remarquer combien cette conception s’écarte de tout ce qu’on avait imaginé jusqu’ici ; les phénomènes physiques cesseraient d’obéir à des lois exprimables par des équations différentielles, et ce serait là, sans aucun doute, la plus grande révolution et la plus profonde que la philosophie naturelle ait subie depuis Newton. H. Poincaré. Sur la théorie des quanta. Journal de Physique Théorique et Appliquée, 1912, 2, pp.5-34.

 La conception usuelle, selon laquelle l’énergie de la lumière est distribuée de façon continue dans l’espace où elle est rayonnée, présente, quand on tente d’expliquer les phénomènes photoélectriques, de très sérieuses difficultés qui sont exposées dans un travail décisif de M. Lenard. L’idée selon laquelle la lumière excitatrice est constituée de quanta d’énergie hn permet de concevoir la production de rayons cathodiques de la façon suivante. Des quanta d’énergie pénètrent dans la couche superficielle du corps ; leur énergie est transformée, au moins en partie, en énergie cinétique des électrons. A. Einstein. Un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de lumière. Annalen der Physik, Vol XVII, 1905, p132-148 Traduction publiée dans « Albert Einstein, Œuvres choisies, Quanta » Seuil/CNRS Éditions

Einstein indique, à la fin de sa vie, dans une lettre à Max Born que les quanta de lumière restent pour lui un mystère : « All these fifty years of conscious brooding have brought me no nearer to the answer to the question, ‘What are light quanta?’. Nowadays every Tom, Dick and Harry thinks he knows it, but he is mistaken. » A. Einstein in The Born-Einstein Letters. Max Born, translated by Irene Born, Macmillan 1971).

 Les photons ont originellement été appelés « quanta lumineux » (das Lichtquant) par Albert Einstein. Le nom moderne « photon » est dérivé du mot grec qui signifie « lumière », φῶς, φωτός (translittéré phos, photos). Ce nom a été proposé par Frithiof Wolfers dans une note présentée à l’Académie des sciences par Aimé Cotton le 26 juillet 1926, à propos d’une répulsion que les photons étaient censés subir de la part de la matière. Il a également été mis en avant par le chimiste Gilbert N. Lewis, dans une lettre à Nature datée du 29 octobre et publiée le 18 décembre 1926 […]   https://fr.wikipedia.org/wiki/Photon#cite_note-Lewis1926-9

Historique

 A la fin du XIX^e siècle la physique classique comprenait : 

·     la mécanique newtonienne, Newton (1687) ;

·     l’électromagnétisme, Maxwell (1865) Lorentz (1895) ;

·     la thermodynamique, Clausius (1850) ; la physique statistique, Maxwell et Boltzmann (1877).

 Selon W. Thomson (dit Lord Kelvin) il n’y a alors que « deux petits nuages dans le ciel serein de la physique théorique » :

·  l’impossibilité d’interpréter le rayonnement thermique, qualifiée de « catastrophe ultraviolette » 

·  le résultat négatif de l’expérience de Michelson et Morlay concernant la vitesse de la lumière.

Thomson laissait alors entendre que ces deux difficultés seraient bientôt résolues… Ce ne fut pas le cas : ces deux obstacles conduisirent aux deux bouleversements de la physique du début du XXe siècle avec la mécanique quantique d’une part et la mécanique relativiste d’autre part.

La découverte de l’effet photoélectrique (H. Hertz – 1886) et son interprétation participent à ces remises en cause fondamentales. En effet l’électromagnétisme classique de Maxwell et Boltzmann ne permet pas de rendre compte des résultats expérimentaux obtenus par Lenard (1900).

 Max Planck, dans sa recherche de modélisation du rayonnement thermique (pour résoudre la « catastrophe ultraviolette ») avait envisagé, sans y croire vraiment, l’idée de quantification des échanges d’énergie entre lumière et matière. Einstein reprend cette idée en faisant l’hypothèse que la lumière elle-même est constituée de quanta d’énergie et interprète ainsi l’effet photoélectrique de façon satisfaisante. Il publie un article dans Annalen der Physik en mars 1905 : « Un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de lumière ».

Mais la communauté scientifique mettra du temps à accepter cette idée apparemment contradictoire avec le modèle ondulatoire de la lumière et Einstein ne recevra le prix Nobel pour ces travaux qu’en 1921.

L’effet photo électrique est appliqué dans de nombreux dispositifs techniques, photomultiplicateurs, cellules photoélectriques, photodiodes, cellules photovoltaïques, cameras…

 A voir sur le même thème

 Quantique (1) Catastrophe ultraviolette https://jcmarot.com/2018/01/01/quantique-1-catastrophe-ultraviolette/   

et Dualité  https://jcmarot.com/2016/12/24/dualite/

Voir [solvay.pdf] solvay

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier quantique (2)).

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Contenu de ce travail

 Il s’agit d’aborder les propriétés de l’effet photoélectrique et de repérer les contradictions avec la théorie ondulatoire classique. On exploitera l’article d’Einstein pour reconstruire son interprétation. Et enfin on utilisera les travaux expérimentaux historiques de Millikan pour retrouver la valeur de la constante de Planck.