Photon

Photon
LASER.jpg

Photons émis dans les faisceaux cohérents parallèles de six lasers.

Propriétés générales
Classification
Composition
Élémentaire
Groupe
Symbole
ɣ
Propriétés physiques
Masse
0 (théorique)
< 10−54 kg (< ~ 5 × 10−19 eV/c2) [1] (expérimental)
Charge électrique
0 (théorique)
< 1 × 10−35 e [2] (expérimental)
Spin
1
Durée de vie
Stable [2] (théorique)
Non applicable [3]
> 1 × 1018 ans [1] (expérimental)
Historique
Prédiction
Albert Einstein, 1905-1917
Découverte

Le photon est le quantum d' énergie associé aux ondes électromagnétiques (allant des ondes radio aux rayons gamma en passant par la lumière visible), qui présente certaines caractéristiques de particule élémentaire. En théorie quantique des champs, le photon 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.

L'idée d'une quantification de l' énergie transportée par la lumière a été développée par Albert Einstein en 1905, à partir de l'étude du rayonnement du corps noir par Max Planck, pour expliquer l' effet photo-électrique qui ne pouvait pas être compris dans le cadre d’un modèle ondulatoire classique de la lumière, mais aussi par souci de cohérence théorique entre la physique statistique et la physique ondulatoire [4]. La découverte de l' effet Compton en 1923, donnant également des propriétés corpusculaires à la lumière, et l’avènement de la mécanique quantique et de la dualité onde-corpuscule, amène à considérer ce quantum comme une particule, nommée photon en 1926.

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 [5], et sa masse est nulle.

L’énergie d’un photon de lumière visible est de l’ordre de 2 eV, ce qui est extrêmement faible : un photon seul est invisible pour l’œil d'un animal et les sources de rayonnement habituelles ( antennes, lampes, laser, etc.) produisent de très grandes quantités de photons, ce qui explique que la nature « granulaire » de l’énergie lumineuse soit négligeable dans de nombreuses situations étudiées par la physique. Il est cependant possible de produire des photons un par un grâce aux processus suivants :

Historique

Origine du terme « photon »

Les photons ont originellement été appelés « quanta lumineux » (das Lichtquant) par Albert Einstein [4]. Le nom moderne « photon » est dérivé du mot grec qui signifie « lumière », φῶς, φωτός (translittéré phos, photos). Ce nom a été proposé par Frithiof Wolfers dans une note présentée à l' Académie des sciences par Aimé Cotton le 26 juillet 1926 [6], à propos d'une répulsion que les photons étaient censés subir de la part de la matière. Il a également été mis en avant par le chimiste Gilbert N. Lewis, dans une lettre à Nature datée du 29 octobre et publiée le 18 décembre 1926 [7], à propos d’une théorie spéculative dans laquelle les photons étaient « incréables et indestructibles ». Bien que ni la théorie de Wolfers ni celle de Lewis ne méritassent beaucoup d'attention, le nouveau nom, photon, fut adopté par la communauté scientifique. Il se répandit d'autant plus rapidement qu'il avait déjà commencé à être utilisé dès 1924, comme en témoignent les publications du bio-chimiste René Wurmser [8], [9]. John Joly avait même déjà proposé le nom de photon en 1921, mais c'était pour désigner l'énergie correspondant à un stimulus élémentaire allant de la rétine au cerveau [10].

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 en 1900 par Paul Villard [11], [12]. En 1914, Rutherford et Edward Andrade [13] 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 grecque (nu), sa fréquence. À l’occasion, le photon peut être symbolisé par hf, où sa fréquence est identifiée par f.

Développement de la notion de « quanta de lumière »

La description de la lumière a suivi au cours de l’histoire un curieux mouvement de balancier entre une vision corpusculaire et une vision ondulatoire. Dans la plupart des théories jusqu’au XVIIIe siècle, on considère que la lumière est constituée de particules. Bien que des modèles ondulatoires soient proposés par René Descartes (1637) [14], Robert Hooke (1665) [15] et Christian Huygens (1678) [16], les modèles particulaires restent dominants, en partie en raison de l’influence d’ Isaac Newton [17]. Un changement de paradigme a lieu à partir de la mise en évidence des phénomènes d’ interférences et de diffraction de la lumière par Thomas Young et Augustin Fresnel au début du XIXe siècle, et en 1850 les modèles ondulatoires deviennent la règle [18] à la suite de l'expérience menée par Léon Foucault sur la vitesse de propagation de la lumière. La prédiction par Maxwell en 1865 du fait que la lumière soit une onde électromagnétique [19], suivie de la confirmation expérimentale de Hertz en 1888 [20], semble porter un coup de grâce aux théories corpusculaires de la lumière.

La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend cependant pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l’énergie d’une onde lumineuse dépend seulement de l’amplitude de l’onde, mais pas de sa fréquence ; or de nombreuses expériences indiquent que l’énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l’amplitude. Par exemple, certaines réactions chimiques ne sont possibles qu’en présence d’une onde lumineuse de fréquence suffisante : en dessous d’une fréquence seuil, quelle que soit l’intensité incidente, la lumière ne peut amorcer la réaction. De manière similaire, dans l’ effet photoélectrique, les électrons ne sont éjectés d’une plaque de métal qu’au-dessus d’une certaine fréquence, et l’énergie des électrons émis dépend de la fréquence de l’onde, et non de son amplitude. Dans le même ordre d’idée, les résultats obtenus à la fin du XIXe et au début du XXe siècle sur le rayonnement du corps noir [21] sont reproduits théoriquement par Max Planck en 1900 en supposant que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence ne peut recevoir ou émettre de l’ énergie électromagnétique que par paquets de valeur bien déterminée égale à – ces paquets étant appelés des quanta [22], [23].

Puisque les équations de Maxwell autorisent n’importe quelle valeur de l’ énergie électromagnétique, la plupart des physiciens pensaient initialement que cette quantification de l’énergie échangée était due à des contraintes encore inconnues sur la matière qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein fut le premier à proposer que la quantification de l’énergie soit une propriété de la lumière elle-même [4]. Bien qu’il ne remette pas en cause la validité de la théorie de Maxwell, Einstein montre que la loi de Planck et l’effet photoélectrique pourraient être expliqués si l’énergie de l’onde électromagnétique était localisée dans des quanta ponctuels qui se déplaçaient indépendamment les uns des autres, même si l’onde elle-même était étendue continuement dans l’espace [4]. Dans son article, Einstein prédit que l’énergie des électrons émis lors de l’effet photoélectrique dépend linéairement de la fréquence de l’onde. Cette prédiction forte sera confirmée expérimentalement par Robert Millikan en 1916, ce qui lui vaudra – parallèlement à ses expériences sur les gouttes chargées – le prix Nobel de 1923 [24]. En 1909 et en 1916, Einstein montre que, si la loi de Planck du rayonnement du corps noir est exacte, les quanta d’énergie doivent également transporter une impulsion , ce qui en fait des particules à part entière [réf. nécessaire]. L’impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement par Arthur Compton [25], ce qui lui valut le prix Nobel de 1927.

Objections à l’hypothèse des quanta de lumière

Pendant tout le début du XXe siècle cependant, la notion de photon reste discutée, principalement en raison de l’absence d’un formalisme permettant de combiner les phénomènes ondulatoires avec les phénomènes corpusculaires nouvellement découverts. Ainsi en 1913, dans une lettre de recommandation en faveur de l’admission d’Einstein à l’académie des sciences de Prusse, Planck écrit [26] :

« Il ne faut pas trop lui tenir rigueur de ce que, dans ses spéculations, il ait occasionnellement pu dépasser sa cible, comme par exemple avec son hypothèse des quanta de lumière. »

De nombreux effets mettant en évidence la nature quantifiée de la lumière peuvent en fait être également expliqués par une théorie semiclassique, dans laquelle la matière est quantifiée mais la lumière est considérée comme un champ électromagnétique classique. Parmi les phénomènes ainsi explicables, on peut par exemple citer l’existence d’un seuil dans l’effet photoélectrique, la relation entre l’énergie de l’électron émis et la fréquence de l’onde, le regroupement des photoélectrons dans un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, ainsi que la statistique poissonienne des comptes [27]. Contrairement à une idée répandue, l’effet photoélectrique n’est donc pas la preuve absolue de l’existence du photon (bien que certaines expériences sur l’effet photoélectrique ne puissent cependant pas être expliquées par une théorie semiclassique [27]).

L’expérience de Compton donne une existence plus tangible au photon, puisque ce dernier montre que la diffusion des électrons par les rayons X s’explique bien en attribuant au photon le moment cinétique prédit par Einstein. Cette expérience marque une étape décisive, après laquelle l’hypothèse des quanta de lumière emporte l’adhésion de la majorité des physiciens [24]. Dans une dernière tentative de sauver la variation continue de l’énergie électromagnétique et de la rendre compatible avec les expériences, Bohr, Kramers et Slater développent un modèle basé sur deux hypothèses drastiques [28] :

  • L’énergie et l’impulsion ne sont conservées qu’en moyenne, mais pas lors des processus élémentaires tels que l’absorption et l’émission de lumière. Cela permet de réconcilier le changement discontinu de l’énergie de l’atome avec les variations continues de l’énergie de la lumière ;
  • La causalité est abandonnée. Par exemple, l’émission spontanée est simplement une émission induite par un champ électromagnétique « virtuel ».

Cependant, des expériences de diffusion Compton plus précises montrent que l’énergie et l’impulsion sont conservées extraordinairement bien lors des processus élémentaires, et également que le recul de l’électron et la génération d’un nouveau photon lors de la diffusion Compton obéissent à la causalité à moins de 10ps près. En conséquence, Bohr et ses collaborateurs donnent à leur modèle « des funérailles aussi honorables que possible » [29]. Sur le front théorique, l’ électrodynamique quantique inventée par P.A.M. Dirac parvient à donner une théorie complète du rayonnement – et des électrons – expliquant la dualité onde-corpuscule. Depuis cette époque, et notamment grâce à l’invention du laser, les expériences confirment de manière de plus en plus directe l’existence du photon et l’échec des théories semi classiques [30]. Il est notamment devenu possible de mesurer la présence d’un photon sans l’absorber, démontrant ainsi de manière directe la quantification du champ électromagnétique [31], [32], de sorte que la prédiction d’Einstein est considérée comme prouvée.

Prix Nobel en lien avec la notion de photon

Prix Nobel attribués en lien avec la notion de photon :

Other Languages
Afrikaans: Foton
العربية: فوتون
azərbaycanca: Foton
Boarisch: Photon
беларуская: Фатон
беларуская (тарашкевіца)‎: Фатон
български: Фотон
বাংলা: ফোটন
bosanski: Foton
català: Fotó
čeština: Foton
Cymraeg: Ffoton
dansk: Foton
Deutsch: Photon
Ελληνικά: Φωτόνιο
English: Photon
Esperanto: Fotono
español: Fotón
eesti: Footon
euskara: Fotoi
فارسی: فوتون
suomi: Fotoni
Võro: Foodon
Gaeilge: Fótón
galego: Fotón
עברית: פוטון
हिन्दी: फ़ोटोन
hrvatski: Foton
Kreyòl ayisyen: Foton
magyar: Foton
Հայերեն: Ֆոտոն
Bahasa Indonesia: Foton
Ido: Fotono
íslenska: Ljóseind
italiano: Fotone
日本語: 光子
Patois: Fuotan
Basa Jawa: Foton
ქართული: ფოტონი
қазақша: Фотон
ಕನ್ನಡ: ಫೋಟಾನ್
한국어: 광자
Kurdî: Foton
Latina: Photon
Limburgs: Foton
lumbaart: Futùn
lietuvių: Fotonas
latviešu: Fotons
Malagasy: Voankazavana
македонски: Фотон
മലയാളം: ഫോട്ടോൺ
मराठी: फोटॉन
Bahasa Melayu: Foton
မြန်မာဘာသာ: ဖိုတွန်
Plattdüütsch: Photon
नेपाली: फोटोन
Nederlands: Foton
norsk nynorsk: Foton
norsk: Foton
occitan: Foton
ଓଡ଼ିଆ: ଫୋଟନ୍‌
ਪੰਜਾਬੀ: ਫ਼ੋਟੌਨ
polski: Foton
پنجابی: فوٹون
português: Fotão
română: Foton
русский: Фотон
sicilianu: Fotoni
Scots: Photon
srpskohrvatski / српскохрватски: Foton
Simple English: Photon
slovenčina: Fotón
slovenščina: Foton
shqip: Fotoni
српски / srpski: Фотон
Seeltersk: Photon
Basa Sunda: Foton
svenska: Foton
தமிழ்: ஒளியணு
తెలుగు: ఫోటాన్
ไทย: โฟตอน
Tagalog: Photon
Türkçe: Foton
татарча/tatarça: Фотон
українська: Фотон
اردو: نوریہ
oʻzbekcha/ўзбекча: Foton
Tiếng Việt: Photon
Winaray: Photon
中文: 光子
Bân-lâm-gú: Kng-chú
粵語: 光子