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Photon

Le photon est un concept utilisé pour représenter les interactions entre les rayonnements électromagnétiques (notamment la lumière, les ultraviolets et les rayons X) et la matière. Notez qu'au sens strict, les photons ne modélisent pas les rayonnements eux-mêmes, mais uniquement leurs interactions. Toutefois, comme on ne connaît un objet que par ses interactions avec son environnement, la notion de photon sert aussi par extension à modéliser le rayonnement lui-même. Cette distinction est purement formelle et n'a aucune répercussion pratique, elle est purement « philosophique », mais il faut quand même en être conscient afin d'éviter des erreurs d'interprétation.

Les travaux de la fin du XIX^e siècle et du début du XX^e siècle (notamment de Heinrich Hertz sur l'effet photoélectrique et de Max Planck sur le corps noir) ont montré que la matière recevait ou émettait de l'énergie électromagnétique par paquets de valeur bien déterminée (ou quanta). Le concept de photon a été imaginé par Albert Einstein en 1905.

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

Tout rayonnement électromagnétique, et donc en particulier la lumière, est constitué de photons. On utilise généralement le symbole γ (gamma) pour les désigner.

Les sources de rayonnement habituelles (antennes, lampes, laser, ...) produisent de trés grandes quantités de photons. Les processus permettant de produire des photons un par un sont divers : lorsque un électron change de niveau énergétique, par des transitions nucléaires, lors d'annihilation de paires particule-antiparticule.

Cet article de science fait partie de la série physique

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Modèles du photon

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 300 000 km/s.

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 (h étant une constante). 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'elle 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 ne permet pas d'expliquer correctement toutes les propriétés de la lumière et est donc très imparfaite, mais elle permet de donner une image simple.

Modèle du 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 zone d'amplitude importante qui est concentrée dans une zone, et cette amplitude décroît lorsque l'on s'éloigne de cette zone. La sinusoïde s'inscrit dans une « enveloppe » (représentée en pointillés ci-dessous).

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. On touche en fait ici à la Dualité onde-particule.

Dualité onde-corpuscule

Le photon est un concept, une construction mentale, faite par les hommes pour expliquer les interactions entre les rayonnements électromagnétiques et la matière, mais, comme 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 pas une bille localisée, mais un objet mathématique défini par sa fonction d'onde, la fonction d'onde donnant la probabilité de présence. Attention à na pas confondre la fonction d'onde 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 ( et ), a donc deux significations :

• une signification macroscopique : lorsque le flux d'énergie est suffisamment important, c'est le champ électrique et magnétique mesuré par un appareil macroscopique (par exemple antenne réceptrice, un électroscope, une sonde de Hall) ;
• une signification 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).

Propriétés générales

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

E = h.ν

et de quantité de mouvement (ou impulsion) p :

p = h.ν/c

h étant la constante de Planck et c la vitesse de la lumière dans le vide. La longueur d'onde λ valant c/ν, on a aussi

E = h.c/λ

p = h/λ

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, celle de la sinusoïde inscrite dans l'enveloppe), mais est en fait décomposable en une superposition de sinusoïdes de longueurs d'onde voisines (les autres composantes du spectre, cf. transformation de Fourier).

Le photon respecte les inégalités de 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, le photon s'est étalé (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.

Dans le vide, les photons se déplacent à la vitesse de la lumière c, environ 300 000 km/s (on notera qu'implicitement, la référence à la vitesse des photons sous-entend un modèle de type « bille de lumière » dont on sait qu'il est imparfait). Lorsqu'ils se déplacent dans la matière, les photons se déplacent plus lentement, la vitesse étant déterminée par la valeur de l'indice de réfraction de ce milieu et qui lui-même dépend de la fréquence ou la longueur d'onde de cette lumière.

Selon les connaissances actuelles, les photons sont des particules fondamentales, d'énergie bien déterminée et de masse nulle. Selon la théorie de la relativité générale, les photons, malgré leur masse nulle, sont quand même soumises à la gravitation car ils suivent les géodésiques de l'espace ; ceci était également prévu par la théorie newtonnienne de la gravitation (la déviation ne s'annule pas lorsque l'on fait tendre la masse vers 0), mais il y a un écart entre la déviation calculée avec cette théorie newtonienne et la déviation constatée. 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 (la Lune masquant le Soleil atténue sa lumière et permet d'observer les étoiles dont l'image se situe en périphérie du Soleil), 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, fut une des première confirmations expérimentales de la théorie de le relativité générale.

Voir aussi

optique et phénomène optique lumière.