Dans ce résumé, on verra les propriétés des photons caractéristiques comme l'énergie des photons et la masse d'un photon. On verra également comment un photon peut être absorbé ou émis. Alors tiens-toi prêt à devenir éclairé !
Photons : caractéristiques
Le photon est une particule bien particulière. Ce n'est pas une particule de matière. Mais c'est le photon qui permet à la matière d'interagir avec elle-même. Passons en revue la définition du photon et ses différentes propriétés.
Qu'appelle-t-on un photon ?
Le photon est une particule élémentaire, c'est-à-dire qu'on ne peut pas la décomposer en parties plus petites. Il s'agit d'un petit paquet (ou quantum) d'énergie électromagnétique. C'est la brique de construction de la lumière.
Masse d'un photon, charge et vitesse
Contrairement aux autres particules, le photon n'a pas de masse et il n'a pas non plus de charge électrique. Celles-ci sont strictement égales à zéro. Pour cette raison, il ne ressent pas de force électrique ou gravitationnelle lorsqu'il est en présence d'objets massiques ou chargés électriquement. Il continue sa route imperturbé.
Sa vitesse dans le vide est constante égale à la vitesse de la lumière : \[c\approx 300\ 000\ \textrm{km/s}\]
Cette constance est une des pierres angulaires de la relativité restreinte, une théorie formulée par Albert Einstein en 1905. Cela signifie que si tu observes un faisceau de lumière se propager lorsque tu es au repos, tu verras que celui-ci se déplace à la vitesse \(c\). Maintenant, si tu montes sur un véhicule qui te permet de te déplacer très vite pour essayer de suivre ce faisceau et aller aussi vite que lui, tu verras que le faisceau continue toujours d'aller à cette même vitesse \(c\). C'est étrange n'est-ce pas ?
Énergie des photons
Les photons ont une énergie qui est proportionnelle à leur fréquence. La constante de proportionnalité est nommée après le physicien Max Planck est notée \(h\). La formule est donc : \[\fbox{\(E=h \ \nu\)}\]
où \(E\) est l'énergie du photon ;
\(h\) est la constante de Planck et vaut \(h=6{,}626\times 10^{-34}J. s\) ;
\(\nu\) (prononcé nu) est la fréquence du photon.
Calculons l'énergie d'un photon de longueur d'onde \(\lambda=500\ nm\). On a besoin de la relation entre la longueur d'onde et la fréquence : \[c=\lambda \ \nu\] Si l'on isole \(\nu\), cela donne : \[\nu = \frac{c}{\lambda}\] En utilisant la formule encadrée plus haut, on trouve : \[E=\frac{hc}{\lambda}\] Faisons l'application numérique : \[E= \frac{6{,}67{.}10^{-34} \times 3 {.} 10^8 }{500\ {.}\ 10^{-9}}=4{.}10^{-19}J\] Profitons de ce calcul pour rappeler la définition de l'unité des électrons Volts (eV). Un électron Volt est l'énergie reçue par une charge élémentaire \(e=1{,}6{.}10^{-19}\ C \) accélérée le long d'une différence de potentiel de \(1V\). Ainsi, \[1eV=1,6{.}10^{-19}\ C\times 1V=1{,}6{.}10^{-19}J\]Si l'on inverse cette formule, on trouve que \[1J =\frac{1}{1{,}6{.}10^{-19}}\ eV= 6{,}25{.}10^{18}eV\] Donc finalement, on a : \[E=\frac{4{.}10^{-19}}{1,6{.}10^{-19}}=2{,}5\ eV\]
Spin et Polarisation
En plus de sa fréquence et de sa direction de propagation, le photon a également une propriété appelée le spin. Il s'agit d'une propriété quantique qui n'existe pas à l'échelle macroscopique. Néanmoins, le spin des photons détermine la polarisation de l'onde lumineuse obtenue par l'assemblage de ces photons. La polarisation décrit la direction du champ électrique associée à l'onde lumineuse. Lorsque le champ est suivant un axe, la polarisation est rectiligne. Lorsque le champ tourne sur un cercle, la polarisation est circulaire.
Figure 1 - Le spin des photon donne la polarisation de la lumière. Lorsque le champ électrique oscille sur une droite perpendiculaire à la direction de propagation, la polarisation est rectiligne. Lorsque le champ électrique tourne sur un cercle perpendiculaire à la direction de propagation, la polarisation est circulaire.
Quantité de mouvement
Te souviens-tu de la quantité de mouvement en mécanique ? Pour un objet de masse \(m\) et de vitesse \(\vec{v}\), on définit sa quantité de mouvement \(\vec{p}=m\vec{v}\). D'après la deuxième loi de Newton, la dérivée temporelle de la quantité de mouvement est égale à la somme des forces extérieures. En revanche, pour le photon, cette expression de la quantité de mouvement n'est plus valable car la masse du photon est nulle alors que sa quantité de mouvement n'est pas nulle. La bonne expression est la suivante : \[\vec{p}=\hbar \vec{k}\] où \(\hbar=\frac{h}{2\pi}\) et \(\vec{k}=\frac{2\pi}{\lambda}\vec{u}\) est le vecteur d'onde dirigé suivant la direction de propagation du photon. Finalement, on peut aussi écrire : \[p=\frac{h}{\lambda}\]
Photon, lumière et matière
On a vu que le photon ne ressent pas la force électrique ou gravitationnelle, mais c'est en fait lui qui transmet la force électromagnétique. C'est le messager qui amène la force. Pour cela, il doit d'abord être émis par une particule chargée et ensuite il est absorbé par une autre particule chargée.
Photons : symbole
Pour décrire l'interaction entre la matière et la lumière, il est courant de faire des dessins pour schématiser les situations que l'on appelle diagrammes de Feynman après le physicien brillant qui les a introduit. Ça a permis à la communauté scientifique de développer une compréhension visuelle et intuitive des cas de figure possibles en physique des particules. Dans tous ces schémas, le symbole utilisé pour représenter le photon est une ligne ondulée accompagnée de la lettre \(\gamma\) (prononcée gamma).
Figure 2 - Diagramme de Feynman décrivant l'interaction entre un électron et un positron par l'intermédiaire d'un photon. Le photon est symbolisé par une ligne ondulée et la lettre \(\gamma\).
Lorsqu'un électron émet un photon, il cède une partie de son énergie et de sa quantité de mouvement. De même, lorsqu'un positron absorbe un photon, il reçoit l'énergie et la quantité de mouvement du photon. On dit qu'il y a conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement.
Photon et rayonnement électromagnétique
Selon la fréquence et donc l'énergie du photon, on peut le classifier dans différentes catégories. On parle du spectre du rayonnement électromagnétique. Voici les différentes catégories d'ondes électromagnétiques, classées des moins énergétiques aux plus énergétiques :
- Les ondes radio ;
- Les micro-ondes ;
- La lumière infrarouge ;
- La lumière visible ;
- La lumière ultraviolette ;
- Les rayons X ;
- Les rayons gamma.
Photon - Key takeaways
- Le photon est une particule élémentaire sans masse et sans charge électrique qui a pour rôle de transmettre l'interaction électromagnétique entre des particules chargées électriquement.
- Le photon correspond à un paquet d'énergie et d'impulsion électromagnétique. La quantité d'énergie et d'impulsion transportée par un photon est liée à sa fréquence et à sa longueur d'onde par les formules : \[E=h\ \nu\] \[p=\frac{h}{\lambda}\]
- Le photon possède une propriété quantique appelée spin qui donne lieu à la polarisation de l'onde lumineuse. Celle-ci peut être notamment rectiligne ou circulaire.
- On représente les interactions entre particules à l'aide des diagrammes de Feynman. Le symbole pour le photon est une ligne ondulée accompagnée de la lettre \(\gamma\) (gamma).
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