Le
photon est la
particule qui compose les
ondes électromagnétiques, des
ondes radio aux
rayons gamma en passant par la
lumière visible. En
physique des particules (où il est souvent symbolisé par la lettre
γ —
gamma), c'est la
particule médiatrice 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.
Photons émis dans le faisceau cohérent d’un
laser
Le concept de photon a été développé par
Albert Einstein 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
[3],[4],[5],[6]. Il a ainsi montré que parallèlement à son
comportement ondulatoire —
interférences et
diffraction —, la propagation du champ électromagnétique présente simultanément des propriétés
corpusculaires. Les photons sont des « paquets » d’énergie élémentaires, ou
quanta de
rayonnement électromagnétique, qui sont échangés lors de l’absorption ou de l’émission de lumière par la matière. De plus, l’
énergie et la
quantité de mouvement (
pression de radiation) d’une onde électromagnétique monochromatique sont égales à un nombre entier de fois celles d’un photon.
Le concept de photon a donné lieu à des avancées importantes en physique expérimentale et théorique, telles que les
lasers, les
condensats de Bose-Einstein, l’
optique quantique, la
théorie quantique des champs et l’interprétation probabiliste de la
mécanique quantique. Le photon est une particule de
spin égal à 1, c’est donc un
boson[7], et sa masse est nulle (dans la mesure des méthodes et connaissances actuelles, on ne peut cependant pas totalement affirmer que la masse du photon est nulle).
L’énergie d’un photon de lumière visible est de l’ordre de
2 eV, soit environ 10
9 fois moins que l’énergie nécessaire pour créer un atome d’hydrogène. En conséquence, les sources de rayonnement habituelles (
antennes,
lampes,
laser, etc.) produisent de très grandes quantités de photons
[8], ce qui explique que la nature « granulaire » de l’énergie lumineuse soit négligeable dans de nombreuses situations physiques. Il est cependant possible de produire des photons un par un grâce aux processus suivants :
Origine du terme « photon »
Les photons ont originellement été appelés
« quanta de lumière » (
das Lichtquant) par
Albert Einstein[3]. Le nom moderne « photon » est dérivé du mot grec qui signifie lumière,
φῶς,
φωτός (translittéré
phos,
photos), et a été choisi en 1926 par le chimiste
Gilbert N. Lewis, dans la publication d’une théorie spéculative
[9] 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.
En physique, un photon est représenté par le symbole
, la lettre grecque
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[10],[11]. En 1914,
Rutherford et Edward Andrade
[12] démontraient que ces rayons gamma étaient une forme de lumière. En
chimie et en
optique, les photons sont habituellement symbolisés par
, l’énergie du photon, où
est la
constante de Planck et la lettre grec
(nu) est la fréquence du photon. À l’occasion, le photon peut être symbolisé par
hf, où sa fréquence est identifiée par
f.
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.
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.
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 significatives.
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, l'expérience montre que le photon ne s'étale pas dans l'espace, ni ne se divise en traversant un miroir semi-transparent, comme le ferait un paquet d'onde.
Dualité onde-corpuscule
Onde électromagnétique : oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique, modèle du dipôle vibrant. Le vecteur
indique la direction de propagation de l'onde.
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 ne peut en fait voir le photon que 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 (
et
), 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).
( source : Wikipédia )
