Photon

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Photon
Photons émis dans le faisceau cohérent d'un laser
Propriétés générales
Composition	Élémentaire
Classification	Boson
Groupe	Boson de jauge
Génération	{{{génération}}}
Interaction(s)	Électromagnétique
Propriétés physiques
Masse	0
Charge	0
Spin	1
Durée de vie	Stable
Historique
Prédiction	Albert Einstein, 1905-1917
Découverte	Arthur Compton, 1923

En physique des particules, dans le cadre du modèle standard, le photon est une particule élémentaire, médiateur de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de vue quantique comme un échange de photons. À titre comparatif, la matière est constituée d'atomes, la lumière de photons.

Le photon est une particule de spin égal à 1, c'est donc un boson^[1]. On utilise généralement le symbole γ (gamma) pour le désigner.

Les photons sont des « paquets » d'énergie élémentaires ou quanta de rayonnement électromagnétique qui sont échangés entre deux particules. Ils sont une sorte de « concentré » de l'énergie et de la quantité de mouvement (pression de radiation) des rayonnements électromagnétiques.

Les sources de rayonnement habituelles (antennes, lampes, laser, etc.) produisent de très grandes quantités de photons^[2]. Il existe cependant des processus permettant de produire des photons un par un :

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

[modifier] Nomenclature

Le photon a originallement été appelé « quanta de lumière » (das Lichtquant) par Albert Einstein^[3]. Le nom moderne « photon » est derivé du mot grec qui signifie lumière, φῶς, (translittéré phos), et a été choisi en 1926 par le chimiste Gilbert N. Lewis, dans la publication d'une théorie spéculative^[4] dans laquel les photons étaient « incréable et indestructible ». 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.

En physique, 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 découvert et nommé en 1900 par Paul Ulrich Villard^[5]^[6]. En 1914, Rutherford et Edward Andrade^[7] démontraient que ces rayons gamma étaient une forme de lumière. En chimie et en optique, les photons sont habituellement symbolisés par $h \nu \!$ , l'énergie du photon, où $h \!$ est la constante de Planck et la lettre grec $\nu \!$ (nu) est la fréquence du photon. A l'occasion, le photon peut être symbolisé par hf, où sa fréquence est identifié par f.

[modifier] Propriétés physiques

Image:Electron-positron-scattering.svg

Un Diagramme de Feynman de l'échange d'un photon virtuel (symbolisé par la ligne ondulée et le gamma, $\gamma \,$ ) entre un positron et un électron.

Article connexe : Relativité restreinte.

Le photon est sans masse, n'a pas de charge électrique^[8] et ne se désintègre pas de façon spontanée dans le vide. 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 atomique et nucléaire vers des niveaux d’énergie élevés.

Comme le photon est sans masse, le photon se déplace dans le vide à la vitesse c (la vitesse de la lumière dans le vide) et son énergie E et la quantité de mouvement p sont reliées par E = c•p. En comparaison, l’équation correspondante pour des particules de masse invariable m serait $E^{2} = c^{2} p^{2} + m^{2} c^{4} \!$ , comme démontré en relativité restreinte.

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

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

où $\hbar = h/2\pi \!$ ( constante de Dirac 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. 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 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 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 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.

[modifier] Historique

Les travaux de la fin du XIX^e et du début du XX^e siècle (notamment de Heinrich Hertz sur l'effet photoélectrique et de Max Planck sur le rayonnement du corps noir en 1900) montrent que la matière reçoit ou émet de l'énergie électromagnétique de valeur bien déterminée exclusivement par paquets (ou quantas). Le concept de photon est imaginé par Albert Einstein en 1905. Cependant la notion de photon initialement critiquée par Planck reste discutée en raison de l'absence d'une équation de Schrôdinger permettant de trouver une probabilité de présence du photon. Cette absence est habituellement comblée par l'utilisation peu satisfaisante des équations de Maxwell. Il est maintenant admis que, perturbé par un champ électromagnétique, un atome entre dans un "état habillé", non stationnaire, en absorbant, conformément à l'hypothèse de Planck, un quantum d'énergie à la fréquence de l'onde; lorsque l'atome revient à son état stationnaire, son excédent d'énergie peut être transformée en une énergie cinétique d'un électron. Ainsi l'existence du photon n'est pas indispensable à l'interprétation de l'effet photoélectrique. La non quantification du champ électromagnétique résout élégamment le paradoxe EPR.

[modifier] Modèles

[modifier] 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 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.

[modifier] Paquet d'onde

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.

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.

Ce modèle est insuffisant. En effet, dans une telle configuration, le photon devrait s'élargir au fur 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.

[modifier] 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. 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 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 et du champ magnétique 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 réceptrice, un électroscope ou une sonde 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 hν déterminée).

[modifier] 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 ( $c = 3.10 8$ ) et λ la longueur d'onde tel que $\lambda = \frac{c}{\nu}$

Il faut lever ici un paradoxe 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 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 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 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 de ce milieu, qui lui-même dépend de la fréquence ou la longueur d'onde de cette lumière.

Selon les connaissances du XXI^e siècle, les photons sont des particules élémentaires d'énergie bien déterminée et de masse au repos nulle. Selon la théorie de la relativité générale, les photons, malgré leur masse au repos nulle, sont soumis à la gravitation 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 solaire, on a pu constater que l'image des étoiles se déplaçait lorsque le Soleil passait à proximité de cette image ; ceci s'explique par le fait que la trajectoire des photons est modifiée par la proximité du Soleil. Cette observation, faite en 1919, est une des première confirmations expérimentales de la théorie de la relativité générale.

[modifier] Notes et références

↑ 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.
↑ pour autant, il y a plus d'atomes dans l'eau qui coule d'un robinet que photons perçus par la rétine lors d'un clair de Lune
↑ Einstein, A (1905). "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (trans. A Heuristic Model of the Creation and Transformation of Light)". Annalen der Physik 17: 132–148. (de).
↑ Lewis, GN (1926). "The conservation of photons". Nature 118: 874–875.
↑ Villard, P (1900). "Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium". Comptes Rendus 130: 1010–1012. (fr)
↑ Villard, P (1900). "Sur le rayonnement du radium". Comptes Rendus 130: 1178–1179. (fr)
↑ Rutherford, E; Andrade ENC (1914). "The Wavelength of the Soft Gamma Rays from Radium B". Philosophical Magazine 27: 854–868.
↑ Kobychev, V V; Popov, S B (2005). "Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources". Astronomy Letters 31: 147–151. DOI:10.1134/1.1883345.

[modifier] Voir aussi

Le Wiktionnaire possède une entrée pour « photon ».

[modifier] Articles connexes

[modifier] Bibliographie

[modifier] Ouvrages de vulgarisation

Richard Feynman ; Lumière & matière : une étrange histoire, InterEditions (1987), ISBN 2-7296-0154-6. Réédition en poche dans la collection Points Sciences 86, Le Seuil (1999), ISBN 2020147580.

[modifier] Ouvrages de référence

Claude Cohen-Tannoudji, Jacques Dupont-Roc & Gilbert Grynberg, ; Photons & atomes - Introduction à l'électrodynamique quantique, InterEditions/CNRS (1987), ISBN 2-7296-0156-2. Réédition EDP Sciences/CNRS, ISBN 2-86883-535-X.

[modifier] Sur le concept de « fonction d'onde » pour le photon

Iwo Bialynicki-Birula ; Photon wave function, Progress in Optics36, Emil Wolf, Editor, Elsevier (1996). ArXiv : quant-ph/0508202.
Felix Bussières et Y. Soudagar ; Le problème de la localisation du photon, Séminaire donné dans le cadre du cours « Optique quantique », PHS 6201, École Polytechnique de Montréal (Avril 2006). pdf.

[modifier] Liens externes

(en) Caractéristiques du photon (Particle Data Group)

Particules élémentaires :
Particules
Fermions :	quark · lepton
Leptons :	électron · muon · tauon · neutrino
Bosons :	photon · gluon · bosons W⁺, W^- et Z⁰
Hypothétiques :	graviton · boson de Higgs
Particules composites :
Hadrons :	baryon · méson
Baryons :	proton · neutron · hypéron
Mésons :	pion · kaon

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