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Pages: 5 (1054 mots) Publié le: 6 janvier 2014
Chapitre 5 : Le photon, modèle corpusculaire de la lumière
I. La lumière, onde électromagnétique
Comme toutes les ondes (sonores par exemple), la lumière transporte de l’énergie sans déplacer de matière. La
lumière émise par le Soleil permet le chauffage de l’atmosphère terrestre (absorption des IR par les gaz de
l’atmosphère), ou bien permet la photosynthèse des plantes (absorption de lalumière visible par la chlorophylle).
Les ondes lumineuses appartiennent au domaine des ondes électromagnétiques (chap. 4). Chaque radiation est
caractérisée par une longueur d’onde (dans le vide) λ ou bien par sa fréquence ν (« nu »), qui ne change pas selon le
milieu de propagation.
On a la relation suivante :

λ : longueur d’onde de la radiation lumineuse (en m)
ν : fréquence de laradiation (en Hz)
c : célérité de la lumière ; c = 3,00.108m.s-1

II. La lumière : onde ou particules ?
II.1. Limites du modèle ondulatoire
Le modèle ondulatoire de la lumière explique les phénomènes de réfraction, de réflexion, de dispersion, mais
surtout la diffraction, ainsi que la polarisation, et les interférences. Il explique la propagation de la lumière.
Mais il n’explique pas certainsphénomènes qui se produisent avec des corps noirs (« catastrophe ultraviolette »).
L’approche ondulatoire atteint ses limites lors de faibles échanges énergétiques lumière-matière. Le modèle
corpusculaire (où la lumière est un ensemble de particules) doit alors être introduit pour expliquer l’effet
photoélectrique ou la détection de photon unique.

II.2. Le photon, « grain de lumière »
Lestransferts d’énergie matière – lumière se réalisent de façon discontinue … on dira quantifiée : ils se font par
« paquets » d’énergie contenant chacun une énergie bien déterminée.
Chaque « paquet » (ou quantum) d’énergie lumineuse, est appelé photon.
Remarque : c’est le physicien allemand Max Planck qui développera la théorie des quanta dès 1895. C’est le début
de la physique quantique.
Ainsi,chaque photon possède une énergie E qui, en Joules, est multiple d’un quantum d’énergie h et
proportionnelle à la fréquence ν de l’onde associée (en Hertz),
E=hν
h = 6,63.10-34J.s est la constante de Planck
Remarque : le Joule J étant une unité bien trop importante pour les échanges d’énergie concernant le photon, nous
emploierons l’électronvolt eV, bien plus adapté à cette échelle.
1eV =1,60.10-19 J

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OBSERVER, Cours Chapitre 5
Première S

1

II.3. Nature exacte de la lumière
Finalement, on peut se poser la question suivante : qu’est-ce que la lumière ? Est-ce une onde ? Un ensemble de
photons ?
La lumière est ambivalente : elle a à la fois une nature ondulatoire (qui explique laplupart des phénomènes
optiques quotidiens), mais elle a aussi une nature corpusculaire (qui explique les échanges d’énergie entre
lumière et matière, à petite échelle). Ces deux aspects sont complémentaires. En fait, tout dépend du contexte de
l‘expérience ou de l’observation.
III. Quantification des niveaux d’énergie de la matière
III.1. Quantification des énergies de l’atome
On rappellequ’à chaque couche électronique est associée un niveau d’énergie de l’atome. La couche K (la plus
proche du noyau) est la moins énergétique par exemple.
 Pour qu’un électron change de niveau d’énergie (passage à un niveau supérieur), il doit recevoir une
certaine quantité d’énergie, qui correspond à l’absorption d’un photon :

 En revanche, si l’électron « retombe » sur un niveau d’énergieinférieur, c’est qu’il a libéré cette même
quantité d’énergie, par émission d’un photon.

L'énergie de l'atome ne peut prendre que des valeurs discrètes (discontinues), caractéristiques de cet élément
chimique.
Exemple : le diagramme des niveaux d'énergie de l'atome de sodium exprimés en électronvolt.

L’état fondamental correspond au niveau n=1, l'atome est stable. Le niveau n →...
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