PHOTONS
Le photon est une particule de masse nulle qui décrit les excitations élémentaires du champ électromagnétique quantifié. En théorie quantique, le champ présente, en effet, un double caractère : ondulatoire et corpusculaire. L'aspect ondulatoire se manifeste par la possibilité d'observer des interférences avec des ondes électromagnétiques. L'aspect corpusculaire est révélé par le fait que l'énergie et l'impulsion d'un mode du champ électromagnétique varient de manière discontinue. On appelle mode une composante du champ, de fréquence ν et de vecteur d'onde bien définis. L'énergie dans le mode étant égale à nhν, où n est un nombre entier et h la constante de Planck, tout se passe comme si le mode contenait n particules, appelées photons, ayant chacune l'énergie hν. Les échanges d'énergie entre la matière et le champ électromagnétique consistent en des absorptions, des émissions ou des diffusions de photons d'un mode à un autre. C'est d'ailleurs en analysant les propriétés de l'effet photoélectrique qu'Einstein a introduit la notion de photon en 1905. Il faut noter que le nombre de photons n'est généralement pas conservé dans ces processus d'interaction.
Le champ électromagnétique quantifié
La notion de photon résulte de la quantification du rayonnement. En théorie quantique, l'état du champ électromagnétique peut être décrit par la donnée de plusieurs nombres entiers positifs ou nuls n1, n2, ..., nj, ... caractérisant l'excitation des divers modes du champ électromagnétique. Par rapport à son état d'énergie minimale (appelé le vide) correspondant à tous les nj nuls, cet état du champ a une énergie (n1hν1 + n2hν2 + ... + nihνi + ...) et une impulsion où ℏ = h/2π. Le vecteur d'onde et la fréquence νj, relatifs à un mode du champ électromagnétique, sont reliés entre eux par l'égalité νj = c||/2π où c est la vitesse de la lumière. Il est donc possible de considérer qu'un tel état du champ décrit un ensemble de n1 particules, ou photons, d'énergie hν1 et d'impulsion , ..., ni photons, d'énergie hνi et d'impulsion , etc.
La donnée du nombre de photons ni dans chaque mode définit un état du rayonnement. L'état le plus général est construit en superposant linéairement des états à nombres de photons différents. Pour rendre compte de la propagation d'un paquet d'ondes, il faut par exemple utiliser des superpositions linéaires d'états contenant des photons dans des modes différents. Ainsi, le champ émis lors de la désexcitation radiative d'un atome ne comporte-t-il qu'un seul photon réparti sur plusieurs modes du champ.
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Écrit par
- Claude COHEN-TANNOUDJI : professeur honoraire au Collège de France
- Jacques DUPONT-ROC : directeur de recherche au C.N.R.S., laboratoire de spectroscopie hertzienne, université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie
- Gilbert GRYNBERG : directeur de recherche au C.N.R.S., laboratoire de spectroscopie hertzienne, université de Paris-VI-Pierre-et Marie-Curie, maître de conférences à l'École polytechnique
Classification
Médias
Effet photo-électrique
Encyclopædia Universalis France
Paquet d'ondes à un photon incident
Encyclopædia Universalis France
Autres références
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DÉTECTEURS DE PARTICULES
- Écrit par Pierre BAREYRE , Jean-Pierre BATON , Georges CHARPAK , Monique NEVEU et Bernard PIRE
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...streamers) le long de la trajectoire de la particule ionisante. Lors de leur désexcitation, les atomes contenus dans ces « gouttelettes » émettent des photons, et la trajectoire de la particule est matérialisée par une succession de petits points lumineux. Elle peut être alors enregistrée sur un film... -
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...négativement, un antineutron différent du neutron, etc. Certaines particules neutres, comme le méson π0, sont par contre leur propre antiparticule. C'est également le cas duphoton, ce qui explique pourquoi les ondes électromagnétiques sont les mêmes pour la matière et pour l'antimatière. -
ASHKIN ARTHUR (1922-2020)
- Écrit par Bernard PIRE
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Le physicien américain Arthur Ashkin a reçu le prix Nobel de physique en 2018 pour ses « inventions révolutionnaires dans le domaine de la physique des lasers ».
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