Photon

Le photon est un concept utilisé pour représenter les interactions entre les rayonnements électromagnétiques (notamment la lumière, les ultraviolets et les rayons X) avec la matière.

En effet, les travaux de la fin du XIX^è siècle et du début du XX^è 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. 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 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 diverses : lorsque un électron change de niveau énergétique, par des transitions nucléaires, lors d'annihilation de paires particule-antiparticule.

Modèles du photon

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'extnsion 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.

Le paquet d'onde, un modèle du photon

Ce modèle est insuffisant : en effet, dans une telle configuration, le photon devrait s'élargir au fur et à mesure (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-corpuscule.

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. On ne peut donc parler de photon 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.

Propriétés générales

De la lumière monochromatique de fréquence ν est constituée de photons d'énergie E = h ν et de quantité de mouvement p=h ν/c , h étant la constante de Planck.

Il faut lever ici une ambigüité apparente : 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, 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 il existe une incertitude sur sa quantité de mouvement qui se traduit par une dispersion de longueur d'onde δλ qui est corrélée à δx. Le photon ne représente donc qu'une seule longueur d'onde (celle du maximum du spectre), mais est en fait décomposable en une superposition de sinusoïdes de longueurs d'onde voisines (cf. transformation de Fourier). 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. 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. Lorsqu'ils se déplacent dans la matière, les photons se déplacent plus lentement, la vitesse étant déterminée par la valeur de l'indice 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 et la déviation constatée. Ceci a pu être confirmé par des observations, les plus spectaculaires étant les lentilles ou mirages gravitationnels.

Voir aussi

optique et phénomène optique lumière.