Radiation électromagnétique et phénomènes quantiques

Les expériences de Heinrich Hertz

Le physicien allemand Heinrich Hertz a réalisé des expériences en utilisant des surfaces chargées électriquement avec un espace entre elles. Dans ces expériences, deux surfaces métalliques avaient des charges électriques différentes, ce qui provoquait une différence de tension. Lorsque la différence de charge est importante, une étincelle électrique se produit et les charges électriques traversent l'espace.

Si la lumière UV brille sur les surfaces chargées, des étincelles électriques se produisent facilement. La raison de ce phénomène était inconnue à l'époque, mais le concept selon lequel l'électricité saute plus facilement lorsque la lumière UV brille sur les métaux intéressait les scientifiques.

J.Ladécouverte de J. Thomson

Le physicien britannique J. J. Thomson a découvert que l'effet observé par Heinrich Hertz était lié à la lumière qui éclairait les plaques, c'est-à-dire que la lumière UV poussait les charges électriques d'une surface métallique à l'autre. Il a remarqué que les charges électriques responsables de la production des étincelles électriques avaient le même rapport masse/charge que les électrons et que les particules sautaient de la surface ayant une charge électrique plus importante à celle ayant une charge plus faible.

Les expériences de Philipp Lenard

Le physicien hongrois et allemand Philipp Lenard a réalisé des expériences avec deux plaques séparées par un espace. La première plaque était éclairée par une source de lumière et une deuxième plaque était placée au-dessus.

Un électron a sauté de la première plaque à la seconde en raison de l'augmentation de la différence de tension. Lenard a ensuite modifié l'intensité de la lumière pour voir si cela avait un effet sur le saut des électrons. On s'attendait à ce que la lumière aide les électrons à sauter plus facilement et à transmettre ainsi de l'énergie.

Cependant, les résultats de l'expérience ont été négatifs. Il n'y avait aucune relation entre l'énergie des charges sautant entre les plaques et l'intensité de la lumière.

Les expériences de Robert Millikan

Plus tard, le physicien expérimental américain Robert Millikan a tenté de réfuter la théorie selon laquelle la lumière est une particule. Millikan a théorisé que si l'expérience était réalisée dans le vide et avec précaution, aucun électron ne serait produit.

Cependant, Millikan a découvert que ses idées n'étaient pas vraies et que des électrons étaient effectivement éjectés après l'impact des radiations sur le métal. Ses expériences ont permis d'établir que la libération d'une particule chargée exigeait que la lumière ait une longueur d'onde minimale. Ses expériences ont également démontré qu'il existait un lien entre la longueur d'onde et la fréquence. Puisque la longueur d'onde et la fréquence sont liées, Millikan a découvert que la lumière devait avoir une fréquence minimale pour libérer les charges électriques de la surface delaplaque métallique. Cette valeur a été appelée "fréquence de coupure".

La pente des données tracées a ensuite été utilisée pour obtenir la valeur delaconstante de Planck.

La relation entre l'énergie électromagnétique et les charges libérées

Les expériences menées par Millikan et d'autres ont démontré que les variations de luminosité delalumière n'affectaient pas le nombre de particules libérées.

Ce n'est que lorsqu'ils ont modifié le type de lumière qui éclairait les plaques que les particules ont été affectées. La lumière ayant de courtes longueurs d'onde (lumière bleue) avec des fréquences plus élevées libérait des particules plus nombreuses et plus rapides, ce qui prouvait que l'énergie de la lumière était responsable de l'émission d'électrons, puisque l'énergie est liée àlafréquence de la lumière.

Ce sont Albert Einstein et Max Planck qui, sur la base de ces expériences, ont apporté d'autres contributions substantielles à nos connaissances.

La contribution d'Albert Einstein

Le célèbre physicien théoricien d'origine allemande Albert Einstein, après avoir observé quelques expériences sur l'émission de particules, a pu compléter la théorie avec quelques nouvelles idées. La principale était que c'était la lumière entrant en collision avec les électrons qui leur donnait de l'énergie. Cependant, la lumière qui entre en collision avec les électrons a elle-même besoin d'une certaine quantité d'énergie pour libérer une particule chargée.

Selon Einstein, la lumière est composée de petites particules, qu'il appelait particule de lumière mais qui sont aujourd'hui connues sous le nom de photons. Ce sont ces photons qui donnent de l'énergie aux particules libérées. On a découvert que l'énergie des photons est égale à la fréquence de la lumière multipliée par une constante.

Einstein a appelé les petites particules qui composent la lumière des "quanta". En physique, le terme quantifié signifie diviser une valeur en petits morceaux de valeurs fixes.

La contribution de Max Planck

Alors qu'Einstein a apporté l'idée que la lumière était composée de petites particules, le physicien allemand Max Planck a proposé que le rayonnement électromagnétique soit constitué de petits morceaux d'énergie. Ces morceaux ont été appelés "énergie quantifiée", du latin quantus, qui signifie "quantité".