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Longueur d'onde de De Broglie des électrons, protons et neutrons

Calculez la longueur d'onde associée à une particule à partir de son énergie cinétique, avec sa quantité de mouvement et sa vitesse, par la formule relativiste.

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Vos paramètres
eV

Valeur hors limites

Résultats

Longueur d'onde de De Broglie

0,1226 nm

Comparable à la distance entre atomes : diffraction par les cristaux

Vitesse

5 930 099 m/s

Même longueur d'onde en picomètres
122,6 pm
Quantité de mouvement
5,403 × 10⁻²⁴ kg·m/s
Vitesse en part de la vitesse de la lumière
1,978 %
Non relativiste

La matière se comporte comme une onde

En 1924, dans sa thèse soutenue à Paris, Louis de Broglie a proposé d’étendre à la matière la dualité onde-corpuscule de la lumière. Toute particule en mouvement possède une longueur d’onde :

λ = h ÷ p

où h = 6,626 × 10⁻³⁴ J·s est la constante de Planck et p la quantité de mouvement de la particule. Trois ans plus tard, Davisson et Germer l’ont confirmé en envoyant des électrons sur un cristal de nickel : ils ont obtenu une figure de diffraction, comme avec des rayons X. De Broglie a reçu le prix Nobel de physique en 1929.

Le fonctionnement du calculateur

Vous choisissez une particule (électron, proton, neutron ou particule alpha) et son énergie cinétique en électronvolts. Le calculateur convertit l’énergie en joules et calcule la quantité de mouvement avec la formule relativiste :

pc = √(E² + 2E × mc²)

puis divise la constante de Planck par p. Il donne aussi la vitesse, v = pc² ÷ (E + mc²), et cette vitesse en pourcentage de celle de la lumière. Grâce à la formule relativiste, le résultat reste juste pour les électrons rapides, là où la formule classique p = √(2mE) commence à dériver.

Exemple

Un électron de 100 eV :

Résultat Valeur
Quantité de mouvement 5,403 × 10⁻²⁴ kg·m/s
Longueur d’onde 0,1226 nm (122,6 pm)
Vitesse environ 5,93 millions de m/s
Part de c 1,98 % (non relativiste)

Cette longueur d’onde est du même ordre que la distance entre atomes, ce qui explique l’usage de la diffraction d’électrons lents (LEED) pour étudier les surfaces cristallines.

Quelques valeurs de référence

Particule et énergie Longueur d’onde
Électron, 1 eV 1,23 nm
Électron, 10 keV 0,0122 nm (12,2 pm)
Électron, 100 keV (microscope électronique) 3,70 pm
Neutron thermique, 0,025 eV 0,181 nm
Proton, 1 MeV 28,6 fm

À 100 keV, l’électron va déjà à 55 % de la vitesse de la lumière. La formule classique donnerait 3,88 pm, soit 5 % de trop, ce qui compte pour la résolution d’un microscope électronique.

Pourquoi c’est important

La très courte longueur d’onde des électrons rapides permet aux microscopes électroniques de distinguer des détails bien plus fins qu’un microscope optique, dont la résolution est limitée à environ la moitié de la longueur d’onde de la lumière. Les neutrons thermiques, avec une longueur d’onde proche de 0,18 nm, servent à cartographier la position des atomes dans les matériaux, par exemple à l’Institut Laue-Langevin de Grenoble.

Pour les objets du quotidien, la longueur d’onde est dérisoire : une balle de tennis de 58 g à 50 m/s a λ ≈ 2 × 10⁻³⁴ m, impossible à observer.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que la longueur d'onde de de Broglie ?

En 1924, Louis de Broglie a proposé que toute particule en mouvement se comporte comme une onde, de longueur d'onde λ = h ÷ p, où h est la constante de Planck et p la quantité de mouvement. Plus la particule est rapide ou lourde, plus la longueur d'onde est courte.

Pourquoi un électron de 100 eV a-t-il une longueur d'onde d'environ 0,12 nm ?

Sa quantité de mouvement vaut environ 5,4 × 10⁻²⁴ kg·m/s ; la constante de Planck divisée par cette valeur donne 0,1226 nm. C'est l'ordre de grandeur de la distance entre atomes d'un cristal, d'où la diffraction des électrons lents par les surfaces cristallines.

Le calcul tient-il compte de la relativité ?

Oui. Il utilise la quantité de mouvement relativiste pc = √(E² + 2E·mc²), ce qui reste exact pour les électrons rapides. Sous 10 keV environ, la formule classique donne presque le même résultat ; à 100 keV, elle surestime la longueur d'onde d'environ 5 %.

Pourquoi une balle de tennis ne se comporte-t-elle pas comme une onde ?

Une balle de 58 g lancée à 50 m/s a une longueur d'onde de l'ordre de 10⁻³⁴ m, infiniment plus petite qu'un atome. Les effets ondulatoires n'apparaissent que si la longueur d'onde est comparable à la taille de l'obstacle.

Ce calculateur vous a-t-il été utile ?

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Résultats indicatifs fournis à titre d'information. Ils ne remplacent pas l'avis d'un professionnel.