Chapitre 17 Terminale S
La dualité onde-particule La dualité onde-particule Physique-Chimie




CONTEXTE
Dès le XVIIe siècle, de vifs débats ont eu lieu entre Newton et Huygens pour dé nir la lumière. Le premier soutenait que la
lumière était faite de particules alors que le second défendait l'hypothèse d'une nature ondulatoire. Pendant deux siècles,
les expériences menées ont donné raison à Huygens. Il a fallu attendre le début du XXe siècle pour que le comportement
corpusculaire des ondes soit observé ouvrant la voie à une nouvelle physique : la physique quantique.




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I Le caractère particulaire de la lumière
A La lumière en tant qu'onde

PROPRIÉTÉ

Les phénomènes de diffraction et d'interférence sont deux propriétés qui caractérisent les ondes (mécaniques ou
électromagnétiques) et donc justi ent le caractère ondulatoire de la lumière.

B La notion de quanta d'énergie
Au début du XXe siècle, la physique classique arrive à ses limites. Des faits expérimentaux échappent à toute interprétation
théorique. Max Planck émet alors une hypothèse improbable qui pose les bases de la physique quantique : la quanti cation
de l'énergie.

DÉFINITION Quanti cation de l'énergie
L'énergie transportée par une onde lumineuse de fréquence v n'est pas continue mais est composée d'un nombre entier de
E = h⋅ν
quantités individuelles d'énergie indivisibles appelées "quanta". C'est le concept de quanti cation de l'énergie.
Einstein reprend cette notion en introduisant le caractère particulaire de la lumière. Il dé nit une particule transportant ces
"quanta" d'énergie, appelée photon.

C L'effet Compton et la validation du photon
Les expériences menées par Compton ont permis de valider l'existence du photon en mettant en évidence des phénomènes
impliquant la lumière ne pouvant être expliqués que par la collision entre particules :




Effet Compton


Pour concilier le comportement ondulatoire et particulaire de la lumière, le concept de dualité onde-particule a été
développé.

DÉFINITION Dualité onde-particule de la lumière
La dualité onde-particule correspond au fait que la lumière se comporte à la fois comme une onde et comme une particule.
La manifestation ondulatoire ou particulaire dépend des conditions expérimentales.




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II Le comportement ondulatoire de la matière
A L'hypothèse de De Broglie
Une fois l'existence du photon admise, De Broglie propose, en se basant sur une simple hypothèse d'analogie, de
généraliser cette notion de dualité onde-particule à toutes les particules. Toute particule matérielle (possédant une masse)
est donc aussi une onde. Il dé nit alors une relation entre la quantité de mouvement, qui caractérise une particule, et la
longueur d'onde, qui caractérise l'onde, appelée relation de De Broglie.

FORMULE Relation de De Broglie
De Broglie associe une quantité de mouvement à une onde et une longueur d'onde à une particule grâce à la relation
suivante :
p = λhp
Avec :
p la quantité de mouvement de la particule (en kg.m.s−1)
h la constante de Planck ( h = 6,63.10 −34 J.s)
λp la longueur d'onde (en m) de la particule ayant la quantité de mouvement p, aussi appelée longueur d'onde de De
Broglie.

EXEMPLE
La longueur d'onde d'un électron se déplaçant à une vitesse de 4000 kilomètres par seconde, la masse d'un électron
étant de 9,11.10-31 kg, sera de :
λp = ph
λp = mélectron h⋅ vélectron
6,63.10 −34
λp = 9, 11.10−31 × 4 000.103
λp = 1, 82.10−10 m
Pour valider cette hypothèse, il a été nécessaire de véri er si les propriétés caractéristiques des ondes s'appliquaient dans le
cas des particules.

B La gure de diffraction d'un faisceau d'électrons
L'expérience de Davisson et Germer (ainsi que l'expérience de Thomson) avait pour objectif de valider (ou non) l'hypothèse
de De Broglie en essayant de diffracter un faisceau d'électrons.

PROPRIÉTÉ

La diffraction d'un faisceau de particules ne peut être observée que si la longueur d'onde de De Broglie λp est du même
ordre de grandeur que l'objet diffractant.

EXEMPLE
Pour des électrons allant à 4000 km/s, la longueur d'onde de De Broglie associée à ces particules est de 1,82.10−10
mètres. Il faut donc un objet diffractant dont les dimensions ont un ordre de grandeur de 10−10 mètres, soit l'ordre de
grandeur des liaisons atomiques.

Dans l'expérience de Germer et Davisson, les électrons du faisceau possédaient une vitesse de 4000 km/s. Pour espérer
observer l'éventuelle diffraction du faisceau, ils ont utilisé un réseau cristallin de nickel comme objet diffractant :




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Expérience de Davisson et Germer


Les deux scienti ques ont obtenu de cette façon la même gure de diffraction que dans le cas de la diffraction de rayon X
par le même réseau cristallin validant ainsi l'hypothèse de De Broglie et la réalité des phénomènes quantiques.




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III La physique quantique
A Les phénomènes quantiques

DÉFINITION Phénomènes quantiques
Les phénomènes quantiques regroupent l'ensemble des phénomènes qui ne peuvent s'expliquer par les lois de la physique
classique.

EXEMPLE
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