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Photon
Photon
Photons émis dans le faisceau cohérent d'un laser
Photons émis dans le faisceau cohérent d'un laser
Propriétés générales
Composition Elémentaire
Classification Boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particules : un système de particules identiques se comportant comme des...)
Propriétés physiques
Masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à...) 0
Charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) 0
Spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la...) 1
Durée de vie (La vie est le nom donné :) Stable
Historique

En physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes...), le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de...) est la particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des...) médiatrice (En géométrie plane, la médiatrice d'un segment est l'ensemble des points équidistants des extrémités du segment. Cet ensemble est la droite passant par le milieu du...) de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en...) électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) quantique comme un échange de photons. Dans la conception actuelle de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...), les ondes électromagnétiques, des ondes radio aux rayons gamma en passant par la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.), sont toutes constituées de photons.

Le concept de photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...) a été développé par Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut successivement allemand, puis apatride (1896), suisse (1901), et enfin...) entre 1905 et 1917 pour expliquer des observations expérimentales qui ne pouvaient être comprises dans le cadre d'un modèle ondulatoire classique de la lumière.[1][2][3][4] Il a ainsi montré que parallèlement à ses propriétés ondulatoires – interférences et diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points...) –, le champ électromagnétique (Le champ électromagnétique est le concept central de l'électromagnétisme. On le conçoit souvent comme composition des deux champs vectoriels que l'on peut...) présente simultanément des propriétés corpusculaires. Les photons sont des " paquets " d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) élémentaires ou quanta de rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.) qui sont échangés lors de l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une...) ou de l'émission de lumière par la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière...). De plus, l'énergie et la quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse d'un objet. La quantité de mouvement d'un système fait partie, avec l'énergie, des valeurs qui se conservent lors des...) (pression de radiation) d'une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) électromagnétique monochromatique (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumière dont la couleur n'est formée que d'une fréquence ou, par extension de sens, d'une bande très étroite de fréquence au...) sont égales à un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) entier de fois celles d'un photon.

Le concept de photon a donné lieu à des avancées importantes en physique expérimentale (La physique expérimentale a pour but d'éprouver la valeur de vérité des théories physiques. La création d'un appareillage utilisant les principes des théories physiques, revient donc à la physique...) et théorique, telles que les lasers, les condensats de Bose-Einstein, l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) quantique, la théorie quantique des champs (La théorie quantique des champs est l'application des concepts de la physique quantique aux champs. Issue de la mécanique quantique relativiste, dont l'interprétation comme théorie...) et l'interprétation probabiliste de la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique. Cette dénomination s'oppose à celle de physique classique,...). Le photon est une particule de masse nulle et de spin égal à 1, c'est donc un boson[5]. On utilise généralement le symbole γ (gamma) pour le désigner.

L'énergie d'un photon de lumière visible est de l'ordre de 2eV, soit ~109 fois moins que l'énergie nécessaire pour créer un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.). En conséquence, les sources de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) habituelles (antennes, lampes, laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de...), etc.) produisent de très grandes quantités de photons[6], ce qui explique que la nature "granulaire" de l'énergie lumineuse soit négligeable dans de nombreuses situations physiques. Il existe cependant des processus permettant de produire des photons un par un :

  • transition électronique ;
  • transition nucléaire ;
  • annihilation de paires particule-antiparticule.

Historique

Origine du terme "photon"

Les photons ont originellement été appelés " quanta de lumière " (das Lichtquant) par Albert Einstein.[1] Le nom moderne " photon " est derivé du mot grec qui signifie lumière, φ?ς, (translittéré phos), et a été choisi en 1926 par le chimiste (Un chimiste est un scientifique qui étudie la chimie, c'est-à-dire la science de la matière à l'échelle moléculaire ou atomique...) Gilbert N. Lewis, dans la publication d'une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) spéculative[7] dans laquelle les photons étaient " incréables et indestructibles ". Bien que la théorie de Lewis ne fut jamais acceptée, étant contredite par plusieurs expérimentations, son nouveau nom, photon, fut adopté immédiatement par la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.).

En physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...), un photon est représenté par le symbole \gamma \!, la lettre grec gamma. L'utilisation de ce symbole pour le photon provient probablement des rayons gamma, qui furent découverts et nommés en 1900 par Paul Ulrich Villard[8][9]. En 1914, Rutherford et Edward Andrade[10] démontraient que ces rayons gamma étaient une forme de lumière. En chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage...) et en optique, les photons sont habituellement symbolisés par h \nu \!, l'énergie du photon, où h \! est la constante de Planck (En physique, la constante de Planck, notée h, est une constante utilisée pour décrire la taille des quanta. Elle joue un rôle central dans la mécanique quantique et a été nommée d'après le physicien Max Planck.) et la lettre grec \nu \! (nu) est la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot...) du photon. À l'occasion, le photon peut être symbolisé par hf, où sa fréquence est identifié par f.

Développement de la notion de " quanta de lumière "

La description de la lumière a suivi a cours de l'histoire un curieux mouvement de balancier entre une vision corpusculaire et une vision ondulatoire. Dans la plupart des théories jusqu'au XVIIIe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut être l'âge du...), on considère que la lumière est constituée de particules. Bien que des modèles ondulatoires soient proposés par René Descartes (1637),[11] Robert Hooke (1665),[12] et Christian Huygens (1678),[13] les modèles particulaires restent dominants, en partie en raison de l'influence d'Isaac Newton (Sir Isaac Newton était un philosophe, mathématicien, physicien et astronome anglais né le 4 janvier 1643 du calendrier grégorien[1] au manoir de Woolsthorpe près de Grantham et mort le 31 mars 1727[1] à Kensington. Figure...).[14] Un changement de paradigme a lieu à partir de la mise en évidence des phénomènes d'interférences et de diffraction de la lumière par Thomas Young et Augustin Fresnel au début du XIXe siècle, et vers 1850 les modèles ondulatoires deviennent la règle.[15] La prédiction par Maxwell en 1865 du fait que la lumière soit une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales....) électromagnétique,[16] suivie de la confirmation expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il...) de Hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du système international (SI). Elle est équivalente à une oscillation par seconde (s-1 ou 1⁄s).) en 1888,[17] semblent porter un coup de grâce aux théories corpusculaires de la lumière.

La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend cependant pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l'énergie d'une onde lumineuse dépend seulement de l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de l'onde, mais pas de sa fréquence ; or de nombreuses expériences indiquent que l'énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l'amplitude. Par exemple, certaines réactions chimiques ne sont possible qu'en présence d'une onde lumineuse de fréquence suffisante : en dessous d'une fréquence seuil, quelque soit l'intensité incidente, la lumière ne peut amorcer la réaction. De manière similaire, dans l'effet photoélectrique (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau provoqués par l'action de la lumière. On distingue deux cas : des électrons sont éjectés du matériau (émission...) les électrons ne sont éjectés d'une plaque de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons...) qu'au dessus d'une certaine fréquence, et l'énergie des électrons émis dépend de la fréquence de l'onde, et non de son amplitude. Dans le même ordre d'idée, les résultats obtenus à la fin du XIXe et au début du XXe siècle sur le rayonnement du corps noir (En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température. En pratique, un tel objet matériel n'existe pas, mais il représente un cas idéalisé servant...)[18] sont reproduits théoriquement par Max Planck en 1900 en supposant que que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence ν ne peut reçevoir ou émettre de l'énergie électromagnétique (Les forces électrostatiques et magnétiques peuvent faire déplacer des objets à distance, il semble donc évident qu'à tout phénomène électromagnétique est associé une...) que par paquets de valeur bien déterminée égale à hν – ces paquets étant appelés des quanta.[19][20]

Puisque les équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois fondamentales de la physique. Elles constituent les postulats de base de l'électromagnétisme, avec l'expression de...) autorisent n'importe quelle valeur de l'énergie électromagnétique, la plupart des physiciens pensent initialement que cette quantification de l'énergie échangée est due à des contraintes encore inconnues sur la matière qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein est le premier à proposer que la quantification de l'énergie soit une propriété de la lumière elle-même.[1] Bien qu'il ne remette pas en cause la validité de la théorie de Maxwell, Einstein montre que la loi de Planck (La loi de Planck définit la distribution de luminance énergétique monochromatique du rayonnement thermique du corps noir en fonction de la température...) et l'effet photoélectrique pourraient être expliqués si l'énergie de l'onde électromagnétique était localisée dans des quanta ponctuels qui se déplaçaient indépendemment les uns des autres, même si l'onde elle-même était étendue continuement dans l'espace.[1] Dans son article, Einstein prédit que l'énergie des électrons émis lors de l'effet photoélectrique dépend linéairement de la fréquence de l'onde. Cette prédiction forte sera confirmée expérimentalement par Robert Millikan en 1916, ce qui lui vaudra – parallèlement à ses expériences sur les gouttes chargées – le prix Nobel de 1923.[21] En 1909[2] et en 1916,[4] Einstein montre que, si la loi de Planck du rayonnement du corps noir est exacte, les quanta d'énergie doivent également transporter une impulsion p = h / λ, ce qui en fait des particules à part entière. L'impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement par Arthur Compton,[22] ce qui lui valut le prix Nobel de 1927.

Objections à l'hypothèse des quanta de lumière

Pendant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le début de XXe siècle cependant, la notion de photon reste discutée, principalement en raison de l'absence d'un formalisme permettant de combiner les phénomènes ondulatoires avec les phénomènes corpusculaires nouvellement découverts. Ainsi en 1913, dans une lettre de recommandation (Les industries ne fonctionnent pas correctement sans normes garantissant l'interopérabilité, des organismes crées pour, promulguent des recommandations, qui si elles sont suivies deviennent des...) en faveur de l'admission d'Einstein à l'académie des sciences (Une académie des sciences est une société savante dont le rôle est de promouvoir la recherche scientifique en réunissant certains des chercheurs les plus éminents, en tenant des séances au...) de Prusse, Planck écrit[23]  :

Il ne faut pas trop lui tenir rigueur de ce que, dans ses spéculations, il ait occasionnellement pu dépasser sa cible, comme par exemple avec son hypothèse des quanta de lumière.

De nombreux effets mettant en évidence la nature quantifiée de la lumière peuvent en fait être également expliqués par une théorie semiclassique, dans laquelle la matière est quantifiée mais la lumière est considérée comme un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électromagnétique classique. Parmi les phénomènes ainsi explicables, on peut par exemple citer l'existence d'un seuil dans l'effet photoélectrique, la relation entre l'énergie de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) émis et la fréquence de l'onde, le regroupement des photoélectrons dans un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, ainsi que la statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une...) poissonienne des comptes.[24] Contrairement à une idée répandue, l'effet photoélectrique n'est donc pas la preuve absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol à température ambiante ou plus généralement par chauffe, puis par...) de l'existence du photon (bien que certaines expériences sur l'effet photoéléctrique ne puissent cependant pas être expliquées par une théorie semiclassique[24]).

L'expérience de Compton donne une existence plus tangible au photon, puisque ce dernier montre que la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une...) des électrons par les rayons X s'explique bien en attribuant au photon le moment cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) prédit par Einstein. Cette expérience marque une étape décisive, après laquelle l'hypothèse des quanta de lumière emporte l'adhésion (En physique, l'adhésion est l'ensemble des phénomènes physico-chimiques qui se produisent lorsque l’on met en contact intime deux matériaux, dans le but de créer une résistance...) de la majorité des physiciens.[21] Dans une dernière tentative de sauver la variation continue de l'énergie électromagnétique et de la rendre compatible avec les expériences, Bohr, Kramers et Slater développent un modèle basé sur deux hypothèses drastiques[25] :

  • L'énergie et l'impulsion ne sont conservées qu'en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans...), mais pas lors des processus élémentaires tels que l'absorption et l'émission de lumière. Cela permet de réconcillier le changement discontinu de l'énergie de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un...) avec les variations continus de l'énergie de la lumière.
  • La causalité est abandonnée. Par exemple, l'émission spontanée est simplement une émission induite par un champ électromagnétique "virtuel".

Cependant, des expériences de diffusion Compton (En physique, la diffusion Compton est la diffusion d'un photon sur une particule de matière, comme un électron. On appelle effet Compton plus spécifiquement l'augmentation de la longueur d'onde du photon par la diffusion. Ce dernier...) plus précises montrent que l'énergie et l'impulsion sont conservées extraordinairement bien lors des processus élémentaires, et également que le recul de l'électron et la génération d'un nouveau photon lors de la diffusion Compton obéissent à la causalité à moins de 10ps près. En conséquence, Bohr et ses collaborateurs donnent à leur modèle "des funérailles aussi honorables que possible".[26] Sur le front théorique, l'électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier l'électromagnétisme avec la mécanique quantique en utilisant un formalisme Lagrangien...) inventée par P.A.M. Dirac parvient à donner une théorie complète du rayonnement – et des électrons – expliquant la dualité onde-corpuscule. Depuis cette époque, et notamment grâce à l'invention du laser, les expériences confirment de manière de plus en plus directe l'existence du photon et l'échec des théories semiclassiques.[27] Il est notamment devenu possible de mesurer la présence d'un photon sans l'absorber, démontrant ainsi de manière directe la quantification du champ électromagnétique,[28][29] de sorte que la prédiction d'Einstein est considérée comme prouvée.

Prix Nobel en lien avec la notion de photon

Le lecteur intéressé par l'histoire des idées est invité à se reporter aux textes des conférences Nobel, vivants témoignages de la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...) en mouvement (voir également la dualité onde-corpuscule dans les archives Nobel).

Prix Nobel attribués en lien avec la notion de photon :

Propriétés physiques

Le photon est sans masse, n'a pas de charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.)[30] et ne se désintègre pas de façon spontanée dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.). Un photon a deux états de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une tension pour créer du courant dans le...) possibles et est décrit par trois paramètres continus: les composantes de son vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet peut constituer...) d'onde, qui déterminent sa longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde λ et sa direction de propagation. Les photons sont émis à partir de plusieurs processus, par exemple lorsqu’une charge est accélérée, quand un atome ou un noyau saute d’un niveau d'énergie élevé à un niveau plus faible, ou quand une particule et son antiparticule (A chaque type de fermions fondamentaux correspond un type d'antiparticule. Ainsi, à l' électron est associé au positron, et les quark, à leurs antiquark. La...) s'annihilent. Des photons sont absorbés par le processus inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...), par exemple dans la production d’une particule et de son antiparticule ou dans les transitions atomique et nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) vers des niveaux d’énergie élevés.

Un Diagramme de Feynman de l'échange d'un photon virtuel (symbolisé par la ligne ondulée et le gamma, ) entre un positron et un électron.
Un Diagramme de Feynman (Un diagramme de Feynman est une représentation symbolique permettant de faire des calculs en théorie quantique des champs perturbative. Ces représentations, inventées par Feynman dans les années 1940,...) de l'échange d'un photon virtuel (symbolisé par la ligne ondulée et le gamma, \gamma \,) entre un positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin...) et un électron.

Comme le photon est sans masse, il se déplace dans le vide à la vitesse (On distingue :) c (la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène ondulatoire), est une constante...) dans le vide) et son énergie E et la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) de mouvement p sont reliées par E = c•p. En comparaison, l’équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à certaines des quantités...) correspondante pour des particules de masse invariable m serait E^{2} = c^{2} p^{2} + m^{2} c^{4} \!, comme démontré en relativité restreinte (On nomme relativité restreinte une première version de la théorie de la relativité, émise en 1905 par Albert Einstein, qui ne considérait pas la question des accélérations d'un référentiel, ni les...).

L’énergie et la quantité de mouvement dépendent seulement de sa fréquence ν, ou de façon équivalente, sa longueur d’onde λ :

E = \hbar\omega = h\nu = \frac{h c}{\lambda}
p = \hbar k

Et conséquemment la quantité de mouvement est

p = \hbar k = \frac{h}{\lambda} = \frac{h\nu}{c}

\hbar = h/2\pi \! ( constante de Dirac (La constante de Dirac (du nom du physicien Paul Dirac), notée (prononcer 'h-barre'), est dérivée de la constante de Planck . Elle est également...) ou constante de Planck réduite); \mathbf{k} est le vecteur d’onde (avec le nombre d’onde k = 2\pi/\lambda \! comme amplitude) et \omega = 2\pi\nu \! est sa fréquence angulaire (En physique, et plus spécifiquement en mécanique, la vitesse angulaire ω, aussi appelée fréquence angulaire, est une mesure de la vitesse de rotation.). Noter que \mathbf{k} pointe dans la direction de propagation du photon. Le photon est aussi caractérisé par son spin qui est indépendant de sa fréquence. L'amplitude du spin est \sqrt{2} \hbar et la composante mesurée dans la direction de propagation, son hélicité, doit être \pm\hbar. Les deux hélicités possibles correspondent aux deux états possibles de polarisation circulaire du photon (horaire et anti-horraire).

Pour illustrer l’importance de ces formules, l’annihilation d’une particule et de son antiparticule doit avoir pour résultat la création d’au moins deux photons pour les raisons suivantes. Dans le référentiel du centre de masse, les particules entrant en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) n'ont pas de quantité de mouvement, alors qu’un seul photon a toujours une certaine quantité de mouvement. La loi de conservation (En physique, une loi de conservation (rien ne se perd, rien ne se crée) exprime qu'une propriété mesurable particulière d'un système physique isolé reste constante au cours de l'évolution de ce système. La liste suivante...) de la quantité de mouvement nécessite donc qu’au moins deux photons soient créés, avec une quantité de mouvement nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le terme est un emprunt au grec ancien νη̃ττα,...) nul. L’énergie des deux photons peut être déterminée en respectant les lois de conservation. Le processus inverse, la création de paires, est le mécanisme dominant par lequel des photons de haute énergie (comme les rayons gamma) perdent leur énergie en passant à travers la matière.

Les formules classiques de l’énergie et de la quantité de mouvement des radiations électromagnétiques peuvent être ré-exprimés en terme d’évènements reliés aux photons. Par exemple, la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) des radiations électromagnétiques sur un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est...) provient du transfert de quantité de mouvement des photons par unité de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) et de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...) de cet objet.

Modèles

Bille de lumière

La première image que l'on a du photon est la " bille de lumière ", la lumière serait composée de grains qui voyageraient à 299 792 458 m/s (Vitesse de la lumière).

Dans ce modèle, un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément...) d'énergie lumineuse donné est décomposé en billes dont l'énergie dépend de la longueur d'onde λ et vaut h.c/λ. Ainsi, pour une lumière monochromatique (c'est-à-dire dont le spectre se résume à une seule longueur d'onde), le flux d'énergie est composé en beaucoup de " petites " billes si la longueur d'onde est grande (du côté du rouge), ou de peu de " grosses " billes si la longueur d'onde est petite (du côté du bleu) — les qualificatifs " petit " et " gros " ne sont pas relatifs à la taille des billes, mais à la quantité d'énergie qu'elles comportent.

Si la lumière est composée de plusieurs longueurs d'onde, alors le flux d'énergie se compose de billes de " grosseurs " diverses.

Cette vision, simpliste selon les normes actuelles, ne permet pas d'expliquer correctement toutes les propriétés de la lumière.

Paquet d'onde

le paquet d'onde, un modèle du photon : on a une onde monochromatique de longueur d'onde λ inscrite dans une enveloppe de largeur finie.
le paquet d'onde, un modèle du photon : on a une onde monochromatique de longueur d'onde λ inscrite dans une enveloppe de largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite...) finie.

On peut représenter au premier abord les photons par des paquets d'onde : l'onde électromagnétique n'est pas une sinusoïde d'extension infinie, il y a une enveloppe d'amplitude importante encadrée par d'autres enveloppes nettement moins significative.

Ce modèle est insuffisant. En effet, dans une telle configuration, le photon devrait s'élargir au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la Municipalité de Skive.) et à mesure de sa progression (on parle de l'" étalement du paquet d'onde "), l'énergie devrait être de moins en moins concentrée. Or, on constate que même après un trajet interstellaire de plusieurs milliers d'années-lumière, les propriétés des photons sont exactement les mêmes.

Dualité onde-corpuscule

Le photon est un concept pour expliquer les interactions entre les rayonnements électromagnétiques et la matière. Comme pour les autres particules élémentaires, il a une dualité onde-particule (« Les objets quantiques sont dingues, mais au moins, ils sont tous dingues de la même manière. Richard Feynman » ). On ne peut parler de photon en tant que particule qu'au moment de l'interaction. En dehors de toute interaction, on ne sait pas — et on ne peut pas savoir — quelle " forme " a ce rayonnement. On peut imaginer que le photon serait une concentration qui ne se formerait qu'au moment de l'interaction, puis s'étalerait, et se reformerait au moment d'une autre interaction. On ne peut donc pas parler de " localisation " ni de " trajectoire " du photon.

On peut en fait voir le photon comme une particule quantique, c'est-à-dire un objet mathématique défini par sa fonction d'onde qui donne la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de...) de présence. Attention à ne pas confondre cette fonction et l'onde électromagnétique classique.

Ainsi, l'onde électromagnétique, c'est-à-dire la valeur du champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules...) et du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et...) en fonction de l'endroit et du moment (\vec{E}(\vec{x},t) et \vec{B}(\vec{x},t)), a donc deux significations :

  • macroscopique : lorsque le flux d'énergie est suffisamment important, ce sont les champs électrique et magnétique mesurés par un appareil macroscopique (par exemple antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) réceptrice, un électroscope ou une sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les...) de Hall) ;
  • microscopique : elle représente la probabilité de présence des photons, c'est-à-dire la probabilité qu'en un endroit donné il y ait une interaction quantifiée (c'est-à-dire d'une énergie déterminée).

Propriétés générales

De la lumière monochromatique de fréquence ν est constituée de photons d'énergie E :

\displaystyle{E = h .\nu} = \frac{h . c}{\lambda}

et de quantité de mouvement (ou impulsion) p :

p = \frac{h}{\lambda} = \frac{h.\nu}{c}

h étant la constante de Planck (h = 6,626.10 − 34), c la vitesse de la lumière dans le vide (c = 3.108) et λ la longueur d'onde tel que \lambda = \frac{c}{\nu}

Il faut lever ici un paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un raisonnement qui, bien que sans faille apparente, aboutit à une absurdité, ou encore, une situation...) apparent : si le photon est monochromatique (une seule longueur d'onde λ), cela devrait être une sinusoïde infinie ; on ne peut obtenir un paquet d'onde que si l'on a un spectre d'une certaine largeur (par exemple de type gaussien). En fait, comme tout phénomène quantique, il y a une incertitude sur l'impulsion p (donc une certaine largeur de spectre) et sur la position x. Le photon ne représente donc qu'une seule longueur d'onde (celle du maximum du spectre, la sinusoïde inscrite dans l'enveloppe), mais est en fait décomposable en une superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité...) de sinusoïdes de longueurs d'onde voisines (via une transformée de Fourier).

Le photon respecte le principe d'incertitude d'Heisenberg : si l'on connaît avec précision sa position (c'est-à-dire que le paquet d'onde est étroit, δx est faible), alors l'incertitude sur sa quantité de mouvement p, qui se traduit par une dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences...) de longueur d'onde δλ, est importante, car dépendant de 1/δx.

On peut relier ceci avec l'étalement du paquet d'onde : au moment de l'interaction, le photon est bien localisé (δx petit) donc la dispersion de la quantité de mouvement est grande (δλ grand). L'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une...) d'après, la dispersion de quantité de mouvement fait que le photon est moins bien localisé, il s'étale (δx est plus grand) ; sa " forme " s'étant " rapprochée " de la sinusoïde idéale, son spectre s'est rétrécit (δλ est plus petit). On peut voir grossièrement δx comme le " diamètre " du photon.

Lorsqu'ils se déplacent dans la matière, les photons se déplacent plus lentement que dans le vide, la vitesse étant déterminée par la valeur de l'indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a d'abord été...) de ce milieu, qui lui-même dépend de la fréquence ou la longueur d'onde de cette lumière.

Selon les connaissances du XXIe siècle, les photons sont des particules élémentaires d'énergie bien déterminée et de masse au repos nulle. Selon la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant...) générale, les photons, malgré leur masse au repos nulle, sont soumis à la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) puisqu'ils possèdent une énergie non nulle (équivalence masse énergie). Ceci a pu être confirmé par des observations, les plus spectaculaires étant les lentilles ou mirages gravitationnels. Notamment, à l'occasion d'une éclipse (Une éclipse correspond à l'occultation d'une source de lumière par un objet physique. En astronomie, une éclipse se produit lorsqu'un objet (comme une planète ou un...) solaire, on a pu constater que l'image des étoiles se déplaçait lorsque le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile...) passait à proximité de cette image ; ceci s'explique par le fait que la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) des photons est modifiée par la proximité du Soleil. Cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...), faite en 1919, est une des première confirmations expérimentales de la théorie de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une...).

Notes et références

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  5. La matière quant à elle est constituée de fermions, comme, entre autres, les quarks dont sont faits les noyaux atomiques, et les électrons qui leur sont liés.
  6. pour autant, il y a plus d'atomes dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) qui coule d'un robinet pendant 1 seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle plan. La...) que de photons perçus par la rétine (La rétine est l'organe sensible de la vision. D'origine diencéphalique, elle est une mince membrane pluri-stratifiée d'environ 0,5 mm d'épaisseur couvrant environ...) au cours de la même durée lors d'un clair de Lune (Le clair de lune est la lumière reçue la nuit sur Terre depuis son satellite naturel, la Lune. Cette lumière n'est qu'indirecte, la Lune ne fait que la...)
  7. Lewis, GN (1926). "The conservation of photons". Nature 118: 874–875.
  8. Villard, P (1900). "Sur la réflexion et la réfraction (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la vitesse de celle-ci...) des rayons cathodiques (On nomme rayons cathodiques une éjection continue d'électrons. Lorsque les éjections de rayons se font dans un gaz excitable, elles peuvent déterminer une fluorescence sur leur trajet. On peut alors observer la trace de ces courants d'électrons...) et des rayons déviables du radium (Le radium est un élément chimique de symbole Ra et de numéro atomique 88.)". Comptes Rendus 130: 1010–1012.
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  18. Wilhelm Wien (Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien (13 janvier 1864 à Fischhausen alors en Prusse Orientale, maintenant Primorsk (????????) en Russie (enclave de...) Nobel Lecture. du 11 décembre 1911.
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  27. Ces expériences produisent des corrélations qui ne peuvent être expliquées par une théorie classique de la lumière, puisqu'elles résultent du processus quantique de la mesure. En 1974, Clauser a montré une violation d'une inégalité de Cauchy-Schwarz (En mathématiques, l'inégalité de Cauchy-Schwarz, aussi appelée inégalité de Schwarz, ou encore inégalité de Cauchy-Bunyakovski-Schwarz, se rencontre dans de...) classique (Phys. Rev. D 9:853). En 1977, Kimble et ses collaborateurs ont démontré un effet de dégroupement de photons à l'aide d'un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, alors qu'une approche classique montrerait un groupement des photons (Phys. Rev. Lett. 39:691). Cette approche a également été suivie par Grangier et ses collaborateurs en 1986 (Europhys. Lett. 1:501). Voir également la discussion et les simplifications faites par Thorn et al., Am. J. Phys. 72:1210 (2004).
  28. Brune, M; Schmidt-Kaler F, Maali A, Dreyer J, Hagley E, Raimond JM, and Haroche S (1996). "Quantum Rabi Oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine.): A Direct Test of Field Quantization in a Cavity". Phys. Rev. Lett. 76: 1800–1803.
  29. Gleyzes, S; Kuhr S, Guerlin C, Bernu J, Deléglise S, Busk Hoff U, Brune M, Raimond JM, and Haroche S (2007). "Quantum jumps of light recording the birth and death of a photon in a cavity". Nature 446: 297–300.
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