EXPÉRIENCE MARQUANTE
Au 19 e siècle un nouveau concept-clé émerge des recherches sur les phénomènes électriques et magnétiques , celui de champ , entité qui existe en tout point de l ’ espace , et même en des points où il n ’ y a aucune matière . En 1865 Maxwell établit les équations qui régissent l ’ évolution spatio-temporelle des champs électrique et magnétique : il montre que la lumière est une onde de champs électriques et magnétiques couplés . La découverte de l ’ électron , particule chargée présente dans la matière et qui interagit avec le champ-électromagnétique , parachève le grandiose tableau dans lequel viennent s ’ insérer progressivement les nouvelles découvertes de l ’ optique . Il s ’ agit là d ’ une des plus éclatantes avancées de la Physique .
L ’ EFFET PHOTOÉLECTRIQUE H . Hertz , brillant physicien allemand , met au point en 1888 un appareillage ingénieux qui lui permet de produire et de détecter les ondes électro-magnétiques prédites quelques années auparavant par Maxwell . Au cours de ses expériences , Hertz remarque un phénomène auquel il ne s ’ attendait pas : lorsque son appareillage est éclairé par de la lumière ultraviolette , il constate l ’ apparition entre les électrodes de son dispositif d ’ une étincelle qui témoigne de l ’ existence d ’ électrons libres qui ont été arrachés à la surface de l ’ éclateur par l ’ onde électromagnétique . Une surface métallique peut donc émettre des électrons sous l ’ effet de la lumière : il y a transfert d ’ énergie de la lumière aux électrons , et l ’ on appellera « effet photo-électrique » ce phénomène découvert fortuitement , qui est à l ’ origine de nos photo-détecteurs . Des investigations plus détaillées montrent l ’ existence d ’ un seuil fs pour la fréquence f de la lumière incidente : si f > fs , il y a bien apparition d ’ électrons libres par effet photo-électrique . Par contre le phénomène disparait totalement si f < fs , quelle que soit l ’ intensité de la lumière . Ce comportement discontinu , par tout ou rien , est inhabituel dans le cadre du modèle ondulatoire de Maxwell , où les paramètres caractéristiques varient plutôt continûment en fonction de l ’ excitation incidente . Malgré les efforts des théoriciens ce comportement ne trouve pas d ’ explication basée sur les équations de Maxwell .
L ’ EXPLICATION D ’ EINSTEIN Dans son article de 1905 Einstein s ’ appuie sur la formule de Planck , qui donne le spectre de la lumière émise par un corps chauffé ( le « corps noir »). Il en déduit théoriquement l ’ expression de l ’ entropie de ce rayonnement et montre qu ’ elle coïncide avec celle d ’ un gaz parfait de particules ayant chacune une énergie hf , où h est la constante de Planck : Tout se passe comme si la lumière était formée de particules localisées , appelées « quanta » de lumière par Einstein , qui sont insécables et sans interaction mutuelle .
R . MILLIKAN
Einstein fait alors un bilan d ’ énergie sur ce processus , non pas sur l ’ ensemble du rayonnement , mais au niveau des particules individuelles mises en jeu dans le processus , dans lequel un quantum de lumière unique communique son énergie à un électron unique du métal . L ’ électron s ’ extrait du métal avec une énergie cinétique finale E c = mv 2 / 2 donnée par :
E c = hf – W
où W est l ’ énergie d ’ extraction caractéristique du conducteur . L ’ énergie cinétique étant positive , ce processus ne se produit que si f > f s , avec f s = W / h . L ’ existence d ’ une limite en fréquence , qui intriguait toute la communauté des physiciens , trouve avec Einstein une modélisation on ne peut plus simple . Son raisonnement implique de plus qu ’ il y a une relation linéaire entre l ’ énergie de l ’ électron et la fréquence de la lumière . L ’ ennui majeur de l ’ approche d ’ Einstein est que , si l ’ on adopte ce modèle théorique corpusculaire pour la lumière , on doit renoncer aux indéniables succès de l ’ approche ondulatoire dérivée des équations de Maxwell ( interférences , diffraction , diffusion …). Tout l ’ édifice théorique élaboré patiemment au cours du 19ème siècle , et en accord quantitatif précis avec les observations expérimentales , s ’ effondre . Le modèle corpusculaire d ’ Einstein est accueilli avec grande réticence ,
Né en 1868 dans l ’ Illinois , Robert Millikan fait ses études de physique à l ’ université Columbia à New York , puis à Berlin auprès de Planck . Il obtient son PhD en 1895 . Il est nommé professeur à l ’ Université de Chicago , puis à Caltech dont il devient le directeur jusqu ’ à sa retraite en 1945 . Il décède en 1953 . C ’ est un expérimentateur de génie . Outre ses travaux sur l ’ effet photo-électrique , il est célèbre aussi pour un tour de force expérimental : il réussit à insérer un électron unique dans une gouttelette d ’ huile . Il déduit de son mouvement une valeur très précise de la charge électronique .
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