Optique et dualité onde-particule

Lois de la réflexion et de la réfraction

Quand une onde frappe la surface séparant deux milieux d'indices de réfraction différents, une partie de l'onde est réfléchie et une partie est réfractée (transmise). Les lois de la réflexion et de la réfraction nous indiquent que :

• Le rayon incident, réfléchi et réfracté se trouvent dans le même plan, appelé plan d'incidence, qui est perpendiculaire à la surface.
• L'angle d'incidence, θ_i, et l'angle de réflexion, θ_r, sont égaux.
• L'angle d'incidence et l'angle de réfraction, θ_t, sont liés par la loi de Snell : n₁ sin(θ_i) = n₂ sin(θ_t), où n₁ et n₂ sont les indices des deux milieux.

La loi de Snell implique que si la lumière passe dans un milieu d'indice plus élevé, les rayons se rapprochent de la normale (et s'en éloignent si le second milieu a un indice inférieur). La loi de Snell peut aussi être exprimée en termes de vitesse de la lumière dans les deux milieux, étant donné que n = c/v.

Concept de photon et dualité onde-particule

Pour expliquer certains phénomènes d'émission et d'absorption de la lumière par la matière, y compris l'effet photoélectrique, Einstein est revenu à la théorie corpusculaire de la nature de la lumière. En supposant que l'énergie du rayonnement électromagnétique n'est pas continue, mais discrète, une onde électromagnétique de fréquence ν peut être considérée comme constituée de quanta ou de corpuscules se déplaçant à la vitesse de la lumière, chacun ayant une énergie E = hν (où h est la constante de Planck) et une quantité de mouvement p = h/λ. Ces corpuscules ont été appelés photons.

La théorie d'Einstein n'a pas invalidé la théorie électromagnétique de la lumière. La physique moderne a introduit la dualité onde-particule, admettant que la lumière possède des propriétés ondulatoires et corpusculaires simultanément :

• Lorsque la lumière interagit avec la matière, elle se comporte comme un flux de particules (photons) avec énergie et élan.
• Lorsqu'elle se propage ou subit des phénomènes de diffraction ou d'interférences, la lumière se comporte comme une onde caractérisée par sa longueur d'onde et sa fréquence.

Plus tard, de Broglie a proposé, pour des raisons de symétrie, que la matière possède également cette dualité onde-particule, de sorte que toute particule a une onde associée. La longueur d'onde associée est très faible à l'échelle macroscopique, de sorte que le caractère ondulatoire de la matière ne se manifeste qu'au niveau microscopique.