Former des images, décrire la lumière par un flux de photons

La lunette astronomique est un instrument optique permettant d'observer des objets lointains. Elle est très utilisée pour observer les astres. Elle est composée de deux lentilles convergentes :

• la lentille objectif, en entrée de la lunette, qui capte la lumière de l'objet observé pour obtenir l'image à son foyer ;

• la lentille oculaire, en sortie de la lunette, qui projette l'image de l'objet à l'infini.

Une lunette astronomique permet d'observer des objets très lointains. On les dit « à l'infini ». Le diamètre [AB] de l'astre observé est perpendiculaire à l'axe optique.

L'objectif permet d'obtenir l'image  de l'objet observé à partir de la lumière qu'il capte de cet objet. L'image  sera d'autant plus grande que la focale est grande. L'angle que va pouvoir capter l'objectif (angle de champ) sera d'autant plus petit que la focale est grande.
L'oculaire permet, à la manière d'une loupe, de grossir l'image intermédiaire  et de la projeter à l'infini, pour rendre son observation plus simple par l'œil. En effet, pour les objets à l'infini, nos yeux n'ont pas à faire d'accommodation, ce qui rend leur observation moins fatigante. L'image finale  sera d'autant plus grande que la focale oculaire est petite.
On définit le grossissement G de la façon suivante : . Les angles et correspondent aux diamètres apparents des objets AB et . On appelle diamètre apparent l'angle formé par les droites reliant l'observateur et les extrémités de l'objet observé. Il caractérise le grossissement de l'objet observé par la lunette astronomique. Par définition de la tangente dans les triangles  et , on a : et , avec et les distances focales de l'objectif et de l'oculaire. Si l'on suppose les angles α et petits, on a : et donc . Le grossissement traduit bien ce que l'on a vu précédemment : il est proportionnel à la distance focale de l'objectif, et inversement proportionnel à celle de l'oculaire.

Pour expliquer d'autres types de phénomènes physiques comme l'effet photoélectrique, il faut considérer la lumière comme un assemblage de petits grains appelés photons.
Dès 1900, Max Planck postule que l'énergie ne peut s'échanger que par « paquets », ou quanta. À une onde électromagnétique monochromatique de fréquence ν, il associe un quantum d'énergie de valeur E = h × v, où est la constante de Planck.
En 1905, Albert Einstein postule que ces quanta d'énergie sont portés par des particules de masse nulle qu'il appelle photons. Chaque photon possède donc une énergie, qui s'écrit , où ν est la fréquence de l'onde monochromatique associée (en Hz), λ sa longueur d'onde (en m) et , la célérité de la lumière.
L'aspect corpusculaire de la lumière est observable lorsqu'elle interagit avec une autre source lumineuse. En effet, les échanges d'énergie sont quantifiés. L'interaction matière-rayonnement met également en évidence l'aspect nivelé de l'énergie de la matière. On observe ce comportement grâce à l'effet photoélectrique, par exemple.
Ainsi, les niveaux d'énergie des électrons des atomes ne peuvent prendre que des valeurs bien précises. On dit qu'ils sont quantifiés. L'état de l'électron d'un atome dont le niveau d'énergie est le plus bas est appelé état fondamental. Les autres sont appelés états excités.
Lors de l'interaction entre un photon et un atome, on distingue trois types de transition électronique :

• l'absorption (stimulée) : un photon qui a exactement la bonne énergie est envoyé sur l'électron d'un atome ; ce dernier absorbe le photon et emmagasine ainsi son énergie, ce qui lui permet d'aller au niveau supérieur (niveau E₂) à partir du niveau inférieur (niveau E₁). L'énergie du photon sera : E_photon = E₂ − E₁ = h ×v. L'électron est alors excité.

• l'émission spontanée : un électron excité peut perdre spontanément son état d'excitation en émettant un photon (qui aura exactement la même énergie que celle de l'absorption stimulée) pour retrouver son état d'énergie inférieur, avec E_photon = E₂ − E₁ = h ×v. Dans ce cas, le photon est émis dans une direction aléatoire.

• l'émission stimulée : un photon qui a exactement la même énergie que celle de l'absorption stimulée est émis vers un électron excité. L'électron, « stimulé » par le photon incident, libère un deuxième photon identique au premier et retombe dans son état d'énergie inférieur. Le photon émis possède la même fréquence, la même direction, la même phase et la même polarité que le photon incident : on dit qu'ils sont dans le même état.

Lorsque l'on éclaire un électroscope préalablement chargé négativement avec une lumière ultra-violette, l'électroscope se décharge. Donc, la lumière, éclairant la plaque de zinc, permet d'extraire des électrons du métal : c'est l'effet photoélectrique.

Les photons de la source lumineuse ont une énergie qui est fonction de la fréquence de la lumière. Lorsqu'un électron du métal (ici le zinc) absorbe un photon ayant une énergie suffisante, l'électron est éjecté. Sinon, le photon passe au travers, et il n'y a pas de transfert d'énergie. Par conséquent, l'effet photoélectrique est l'émission d'électrons par un matériau, généralement métallique, lorsqu'il est exposé à la lumière ou à un rayonnement électromagnétique de fréquence suffisamment élevée (qui dépend du matériau). Ce phénomène ne peut s'interpréter qu'avec le modèle corpusculaire de la lumière.
L'interaction photon-matière est utilisée dans de nombreux domaines de la vie courante : éclairage LED, cellules photovoltaïques, diodes électroluminescentes, spectroscopies UV-visible et infrarouge, lasers, etc.