Photon - Définition

Propriétés physiques

Le photon n’a pas de charge électrique, les expériences étant compatibles avec une charge électrique inférieure à 5×10^-30 e et ne se désintègre pas de façon spontanée dans le vide. Le photon est également sans masse : les expériences sont compatibles avec une masse inférieure à 6×10^-17 eV/c². Un photon a deux états de polarisation possibles et est décrit par trois paramètres continus : les composantes de son vecteur d’onde, qui déterminent sa longueur 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 s’annihilent. Des photons sont absorbés par le processus inverse, par exemple dans la production d’une particule et de son antiparticule ou dans les transitions atomiques et nucléaires 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.

Le photon a une masse nulle. Pourtant, il semble exister un paradoxe concernant cette notion à l'égard du photon. Ainsi, selon l'équation (ou est la constante de Planck et la fréquence du rayon électromagnétique) qui permet de calculer l'énergie d'un photon, et selon l'équivalence entre l'énergie et la masse donnée par l'équation , on pourrait conclure a priori que le photon présente bien une masse non nulle. Selon cette idée, le photon ultraviolet étant plus énergétique que celui de la lumière visible il aurait ainsi une masse plus grande ! Mais l'équation ne s'applique que dans un référentiel où la particule est au repos. Comme le photon a la vitesse c (la vitesse de la lumière dans le vide) dans tous les référentiels, il faut utiliser la forme plus générale de cette équation : , qui prend en compte la quantité de mouvement p. Cette équation admet une masse invariable nulle m = 0 à condition que E et p soient reliées par E = c•p, ce qui est bien le cas du photon ou de toute particule sans masse.

De la lumière monochromatique de fréquence ν est constituée de photons d’énergie E dépendant uniquement de ν :

,

et de quantité de mouvement (ou impulsion) p :

,

où (constante de Dirac ou constante de Planck réduite), est le vecteur d’onde du photon, d’amplitude et dirigé selon la direction de propagation du photon, et est sa fréquence angulaire. Comme pour les autres particules, un photon peut se trouver dans un état dont l’énergie n’est pas bien définie, comme par exemple dans le cas d’un paquet d’onde. Dans ce cas, l’état du photon est décomposable en une superposition d’ondes monochromatiques de longueurs d’onde voisines (via une transformée de Fourier).

Le photon possède également un spin qui est indépendant de sa fréquence, et qui est égal à 1, ce qui autorise a priori trois valeurs pour sa projection : -1, 0 et 1. La valeur 0 est cependant interdite par la théorie quantique des champs, du fait de la masse nulle du photon. L’amplitude du spin est et la composante mesurée dans la direction de propagation, appelée hélicité, doit être . Les deux hélicités possibles correspondent aux deux états possibles de polarisation circulaire du photon (horaire et anti-horaire). Comme en électromagnétisme classique, une polarisation linéaire correspond à une superposition de deux états d’hélicité opposée.

Une conséquence importante de ces formules est que l’annihilation d’une particule et de son antiparticule ne peut pas se faire sous la forme d’un seul photon. En effet, dans le référentiel du centre de masse, les particules entrant en collision n’ont pas de quantité de mouvement, alors qu’un seul photon a toujours une certaine quantité de mouvement. La loi de conservation de la quantité de mouvement nécessite donc qu’au moins deux photons soient créés, avec une quantité de mouvement nette nulle. 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 termes d’événements reliés aux photons. Par exemple, la pression des radiations électromagnétiques sur un objet provient du transfert de quantité de mouvement des photons par unité de temps et de surface de cet objet.

Lorsqu’ils se déplacent dans la matière, les photons interagissent avec les charges électriques présentes dans le milieu pour donner lieu à de nouvelles quasiparticules ; ainsi, dans un diélectrique, une onde de polarisation coexiste avec l'onde électromagnétique pour donner une onde couplée dont la relation de dispersion est différente ; lorsque cette onde est quantifiée, on obtient des particules qui ne sont pas des photons, mais des polaritons, issus du couplage entre les photons et le champ de polarisation quantifié de la matière. Les polaritons se déplacent moins vite que les photons dans le vide ; schématiquement, on peut dire que le photon se déplace toujours à la même vitesse mais qu'il est absorbé et réémis (un peu plus tard) par les atomes de la matière, ce qui donne l’impression – macroscopiquement – que la lumière ralentit.