Parcours d’apprentissage · étape 3

De quoi la lumière est-elle faite ?

Vers 1900, la question semblait tranchée : la lumière est une onde. En 1905, un employé de 26 ans de l’Office des brevets de Berne affirma que la lumière arrive par paquets séparés. Trois stations : à chacune, vous vous engagez d’abord sur une réponse, puis vous la vérifiez dans l’expérience.

Station 1 sur 3

L’effet photoélectrique

La lumière peut arracher des électrons à un métal. Mais il se passait quelque chose qui ne collait pas avec l’idée d’une lumière faite d’ondes. En mars 1905, Einstein proposa une explication : la lumière est faite de paquets d’énergie séparés, les quanta de lumière. On les appelle aujourd’hui photons.

Les stations ont besoin de JavaScript. Les expériences se trouvent aussi dans les chapitres Physique quantique, E = mc² et Année miraculeuse.

Interactif · effet photoélectrique

La lumière frappe le métal

2,07 eV
Énergie d’un quantum de lumière · nécessaire pour en arracher un: 2,30 eV
0
Électrons par seconde (modèle)
0,00 eV
Énergie de mouvement des électrons les plus rapides

Aucun électron : chaque quantum de lumière n’a que 2,07 eV, alors qu’il faut 2,3 eV. Plus d’intensité n’y change rien.

Modèle d’un métal proche du sodium : travail d’extraction 2,3 eV, seuil à 5,6 × 10¹⁴ Hz (lumière verte, environ 540 nm). Quanta de lumière et électrons sont dessinés très clairsemés et ralentis. Dans le modèle, chaque quantum au-dessus du seuil libère un électron ; en réalité, seule une petite partie y parvient.

Station 2 sur 3

E = mc²

En septembre 1905, Einstein envoya un complément de trois pages : si un corps cède de l’énergie, il devient plus léger. Masse et énergie sont les deux faces d’une même chose. C’est devenu la formule la plus célèbre de la physique.

Les stations ont besoin de JavaScript. Les expériences se trouvent aussi dans les chapitres Physique quantique, E = mc² et Année miraculeuse.

Interactif · E = mc²

Calculatrice d’énergie

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Comparaisons : un foyer américain consomme environ 10 800 kWh d’électricité par an ; la bombe d’Hiroshima a libéré environ 6,3 × 10¹³ joules. La masse n’est presque jamais entièrement convertie en énergie – la fusion nucléaire dans le Soleil en transforme environ 0,7 pour cent.

Station 3 sur 3

L’année miraculeuse 1905

Les quanta de lumière et E = mc² datent de la même année. En 1905, Einstein avait 26 ans, travaillait comme examinateur à l’Office des brevets de Berne et écrivit à côté cinq articles, dont sa thèse de doctorat. On appelle aujourd’hui cette année son année miraculeuse.

Les stations ont besoin de JavaScript. Les expériences se trouvent aussi dans les chapitres Physique quantique, E = mc² et Année miraculeuse.

Interactif · Calendrier

L'année 1905, jour après jour

Choisissez un travail : touchez sa ligne dans le calendrier.

  • Daté / achevé
  • Déposé à Zurich
  • Reçu par les Annalen
  • Paru
  • 14 mars : 26e anniversaire d'Einstein

1 Quanta de lumière

„Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt“

Traduction : Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière

Annalen der Physik 17, S. 132–148

  • Daté / achevé : 17 mars 1905 Einstein avait 26 ans et 3 jours.
  • Reçu par les Annalen : 18 mars 1905 Einstein avait 26 ans et 4 jours.
  • Paru : 9 juin 1905 Einstein avait 26 ans et 87 jours.

Ce qu'il a changé : La lumière est faite de paquets d'énergie, les quanta de lumière — cela expliqua l'effet photoélectrique, aida à fonder la théorie quantique et lui valut le prix Nobel.

Où les sources divergent : La Wikipédia allemande donne le 17 mars : c'est la date à la fin du manuscrit (« Bern, den 17. März 1905 »). Selon la revue, il fut reçu le 18 mars.

En savoir plus : Les quanta et le grand débat

Sources : Annalen der Physik 17 (1905), S. 132–148 (Faksimile) · en.wikipedia: Annus mirabilis papers · de.wikipedia: Annus mirabilis · de.wikipedia: Albert Einstein

Sources :
  1. Wikipédia : Effet photoélectrique
  2. Wikipedia (anglais) : Photoelectric effect – les mesures de Millikan de 1914
  3. Wikipédia : Robert Andrews Millikan
  4. Wikipédia : E=mc2
  5. Wikipedia (anglais) : Sun – 0,7 pour cent et 4,26 milliards de kilogrammes par seconde
  6. Wikipédia : Annus mirabilis d’Albert Einstein
  7. Nobelprize.org : The Nobel Prize in Physics 1921