FICHE 1 PRÉSENTATION

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FICHE 1

PRÉSENTATION

Titre Mise en évidence expérimentale des quanta de lumière Type

d'activité

Activité documentaire

Objectifs de l’activité

Analyser une expérience récente qui met en évidence directement la nature corpusculaire de la lumière.

Références par rapport

au programme

Cette activité illustre le thème : « COMPRENDRE » le sous thème « Énergie, matière et rayonnement » et la partie : Dualité onde-particule

en classe de terminale S

Notions et contenus

: Photon et onde lumineuse.

Particule matérielle et onde de matière ; relation de de Broglie.

Interférences photon par photon, particule de matière par particule de matière.

Compétences exigibles

− Savoir que la lumière présente des aspects ondulatoire et

particulaire.

− Extraire et exploiter des informations sur les ondes de matière et sur la dualité onde-particule.

− Connaître et utiliser la relation p = h/.

− Identifier des situations physiques où le caractère ondulatoire de la matière est significatif.

− Extraire et exploiter des informations sur les phénomènes quantiques pour mettre en évidence leur aspect probabiliste.

Conditions de mise en

œuvre

Prérequis : notion de photon vue en première S Durée : 30 mn

Contraintes matérielles : aucune

Remarques

Cette activité s’inscrit dans la progression :

► activité 1 : mise en évidence expérimentale des quanta de lumière

activité 2 : les multiples facettes de la lumière activité 3 : l’atome de néon, onde ou particule ?

Auteur Tristan RONDEPIERRE Académie de LYON

Auteur : Tristan RONDEPIERRE Académie de LYON

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LISTE DU MATÉRIEL

Mise en évidence expérimentale des quanta de lumière

Aucun matériel

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FICHE 3

FICHE POUR LE PROFESSEUR

Mise en évidence expérimentale des quanta de lumière

OBJETCIFS DE L’ACTIVITE

Cette activité se fixe un objectif disciplinaire en lien avec les exigences du programme : analyser une expérience récente qui met en évidence directement la nature corpusculaire de la lumière.

L’autre objectif, plus transversal, est d’amener les élèves à extraire et exploiter des informations sur l’expérience décrite et à regrouper leurs idées au sein d’un paragraphe dont la rédaction est peu guidée par l’énoncé.

COMMENTAIRE

Historiquement c’est pour interpréter l’effet photoélectrique qu’Albert Einstein est amené à généraliser les quanta de lumière de Planck et à bâtir le modèle particulaire de la lumière. Cependant nous faisons le choix de ne pas utiliser l’effet photoélectrique avec les élèves pour introduire ce sujet. L’effet photoélectrique est un phénomène complexe et le lien avec l’hypothèse du photon est trop indirect pour une exploitation pédagogique efficace.

L’expérience choisie ici est une de celles décrites dans le document d’accompagnement du programme. Elle a l’avantage d’illustrer de manière directe la notion de quantum de lumière.

Technologiquement, la partie la plus complexe du dispositif décrit ci est la source de lumière, dite « source de photons uniques ». Nous choisissons de ne pas entrer dans les détails afin d’aller directement au but avec les élèves. Cependant l’enseignant qui choisirait d’utiliser cette expérience peut s’attendre à des questions de la part des élèves à ce sujet : on pourra consulter l’ouvrage cité en référence à la fin de l’activité pour plus de détails.

CORRECTION

(a)À quelle condition sur les signaux appliqués à chacune de ses entrées le « détecteur de coïncidences » est-il non nul ? Pourquoi l’appelle-t-on ainsi ?

® Le signal en sortie est non nul lorsque les signaux des entrées 1 et 2 sont simultanément non nuls.

On l’appelle « détecteur de coïncidence » car il détecte à quels instants les photomultiplicateurs reçoivent simultanément de la lumière.

(b)Le résultat de cette expérience valide-t-il le modèle du photon ou l’infirme-t-il ? Justifier la réponse à l’aide d’un court paragraphe. En particulier, étudier quel résultat aurait été attendu en envisageant deux hypothèses :

1) la lumière se propage de manière continue ;

2) la lumière se propage sous forme de quanta indivisibles.

® Cette expérience valide le modèle du photon. En effet : Hypothèse 1 :

Si la lumière était continue, le faisceau, même très faible, serait divisé en deux parties d’intensité moitié moindre ce qu’on peut représenter par :

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constant ce qui n’est pas le cas.

 L’hypothèse 1 est infirmée par cette expérience.

Hypothèse 2 : la lumière se propage par quanta :

Le détecteur ne met en évidence aucune coïncidence, ce qui montre qu’il n’existe aucun instant où les deux photomultiplicateurs reçoivent simultanément de la lumière. Ceci est compatible avec l’idée que la lumière se propage par paquets (nous dirons quanta ou photons) indivisibles qui prennent l’un ou l’autre deux chemins possibles mais en aucun cas les deux en même temps. On peut représenter cela par :

 L’hypothèse 2 est validée par cette expérience

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FICHE 4

FICHE ÉLÈVE

Mise en évidence expérimentale des quanta de lumière

En 1905, Albert Einstein a énoncé :

« L'énergie d'un rayon lumineux se propageant depuis un point source n’est pas distribuée de façon continue dans un espace de plus en plus grand mais consiste en un nombre fini de quanta d’énergie qui sont localisés en certains points de l’espace, se déplacent sans se diviser, et qui peuvent seulement être produits ou absorbés par unités entières. »

Einstein baptisera plus tard ses quanta des photons.

Cependant le modèle du photon a longtemps été considéré comme une hypothèse théorique provisoire et non comme un modèle censé décrire la nature de la lumière.

Des expériences ont alors été imaginées afin de valider ou infirmer le caractère corpusculaire de la lumière. Cette activité propose d’en étudier un exemple : l’expérience de Kimble, Dagenais et Mandel.

Questions :

 Lire ci-dessous le principe et les résultats de l’expérience de Kimble, Dagenais et Mandel.

(a)À quelle condition sur les signaux appliqués à chacune de ses entrées le

« détecteur de coïncidences » est-il non nul ? Pourquoi l’appelle-t-on ainsi ? (b)Le résultat de cette expérience valide-t-il le modèle du photon ou l’infirme-t-il ?

Justifier la réponse à l’aide d’un court paragraphe. En particulier, étudier quel résultat aurait été attendu en envisageant deux hypothèses :

1) la lumière se propage de manière continue

2) la lumière se propage sous forme de quanta indivisibles.

DOCUMENT : L’expérience de Kimble, Dagenais et Mandel

Dispositif :

− La source utilisée est une source de lumière monochromatique de très faible puissance. La puissance émise correspond à l’émission de photons un par un.

− Une lame semi-réfléchissante divise un faisceau de lumière en deux parties d’intensités égales : l’une est réfléchie par une de ses parois, l’autre la traverse.

− Un photomultiplicateur est un capteur qui génère un signal électrique lorsqu’il reçoit un rayonnement, même extrêmement faible.

− Le détecteur de coïncidences est un circuit électrique qui possède deux entrées E1, E2 et une sortie S. Il génère à sa sortie (S) un signal électrique proportionnel au produit des signaux reçus à ses deux entrées : u(S) = u(E1)u(E2).

Résultat de l’expérience :

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source : « panorama de la physique », sous la direction de G. Pietryk, éditions Belin