Photon

Définition

Un photon est la particule fondamentale de la lumière. Il est un quantum d'énergie lumineuse dans un faisceau d'ondes du rayonnement électromagnétique de la lumière. Les photons n'ont pas de charge, pas de masse au repos et se déplacent à la vitesse de la lumière. L'énergie du photon dépend de sa fréquence (à quelle vitesse le champ électrique et le champ magnétique se déplacent).

Des photons de lumière :

Un photon est un corpuscule élémentaire (minuscule particule) qui prend la forme d'un quantum d'énergie dont le flux constitue le rayonnement électromagnétique.

Explications

Un photon est une minuscule particule qui comprend des ondes de rayonnement électromagnétique. Comme l'a montré Maxwell, les photons ne sont que des champs électriques voyageant dans l'espace.

Les photons sont émis par l'action de particules chargées, bien qu'ils puissent être émis par d'autres méthodes, notamment la désintégration radioactive. Puisqu'il s'agit de particules extrêmement petites, la contribution des caractéristiques ondulatoires au comportement des photons est significative.

Dans les diagrammes, les photons individuels sont représentés par une flèche sinueuse.

La lumière est constituée de particules appelées photons, des faisceaux du champ électromagnétique qui transportent une quantité spécifique d'énergie. Avec des expériences suffisamment sensibles, vous pouvez compter les photons ou même effectuer des mesures sur un seul. Les chercheurs ont même temporairement gelé la lumière.

Le photon, comme toute autre particule, peut posséder un certain moment cinétique, mais les propriétés de ce moment cinétique diffèrent quelque peu de celles des particules ordinaires. Pour voir la raison de cette différence, il faut se rappeler la relation entre les propriétés de la fonction d'onde d'une particule et le moment cinétique de la particule, dans le formalisme mathématique de la mécanique quantique.

✅ Les photons interagissent avec la matière par des processus tels que l'absorption et l'émission. Par exemple, lorsque des photons entrent en collision avec des électrons dans des atomes, ils peuvent transférer de l'énergie, ce qui fait passer les électrons à des niveaux d'énergie plus élevés ou les faire complètement émettre (effet photoélectrique).

Les photons sont des composants essentiels du rayonnement électromagnétique qui jouent un rôle crucial dans la physique théorique et les applications pratiques dans de nombreuses disciplines scientifiques.

En physique

Un photon est une particule élémentaire qui sert de quantum du champ électromagnétique, englobant diverses formes de rayonnement électromagnétique, notamment la lumière visible, les ondes radio et les rayons gamma. Il est fondamentalement caractérisé par sa double nature, présentant à la fois des propriétés ondulatoires et particulaires.

Ce concept a été développé par Albert Einstein au début du 20^ème siècle (1905), en particulier dans son explication de l'effet photoélectrique, qui a démontré que la lumière peut être comprise comme étant composée de paquets discrets d'énergie appelés photons.

L'énergie d'un photon est directement proportionnelle à sa fréquence et inversement proportionnelle à sa longueur d'onde. Cette relation peut être exprimée mathématiquement par l'équation simple : E = h·ν, où E est l'énergie du photon, h est la constante de Planck (environ 6,63 × 10^-34 Js) et ν est la fréquence en hertz.

Les photons sont des particules sans masse avec un spin de 1, ce qui les classe parmi les bosons. Cette absence de masse leur permet de voyager à la vitesse de la lumière dans le vide, notée c (environ 3 × 10⁸ m/s).

Interactions avec la matière

Les photons interagissent avec la matière par trois mécanismes principaux : l'effet photoélectrique, la diffusion Compton et la production de paires. La probabilité que chacune de ces interactions surviennent dépend de l'énergie du rayonnement et du matériau qu'il traverse. ⭐ Asimov attribue à Arthur Compton la définition des quanta d'énergie sous forme de photons en 1923.

L'effet photoélectrique intervient principalement à de faibles énergies photoniques et dans des matériaux à numéro atomique (Z) élevé. Cette interaction doit être considérée comme existant avec l'atome entier même si le transfert d'énergie se fait entre le photon et un électron orbital. Dans cette interaction, un photon frappe un électron étroitement lié et transfère toute son énergie à l'électron. Si cette énergie est supérieure à l'énergie de liaison de l'électron à l'atome, alors l'électron sera expulsé de l'atome.

L'électron (un photoélectron) peut posséder une énergie cinétique à la suite de cette interaction. Cette énergie est la différence entre l'énergie initiale du photon et l'énergie de liaison de l'électron.

Les interactions photoélectriques sont les plus probables avec les électrons les plus étroitement liés (coquille K), et la perte d'un électron de la ou des coques internes laisse un vide qui doit être comblé. Un électron d'une orbite plus élevée tombera dans la vacance, mais il laissera à son tour une autre vacance. Il y a en effet une cascade d'électrons lorsqu'ils tombent dans des états d'énergie inférieurs pour combler les lacunes existantes.

Lorsque chaque électron comble une lacune, un photon est émis dont l'énergie est égale à la différence entre les niveaux d'énergie initial et final. Ces photons sont appelés rayons X caractéristiques car les différences d'énergie entre les orbites des électrons sont uniques pour un atome et les photons sont caractéristiques de l'élément dont ils sont issus.

Comme indiqué précédemment, les interactions photoélectriques sont plus probables à de faibles énergies de photons. L'interaction est relativement peu importante pour les photons d'énergie > 1 MeV, sauf dans les éléments très lourds.

En rapport avec "photon"

• électron

  

  L'électron (e-) est une particule élémentaire chargée négativement. Les électrons liés par un atome ou un ion forment sa couche d'électrons.

• lumière

  

  La lumière est un ensemble de radiations électromagnétiques visibles ou non, émises par un corps incandescent ou luminescent.

• microscopie photonique

  

  La microscopie photonique est une technique d'observation des objets au moyen de l'utilisation d'un microscope dans lequel un faisceau de photons (de lumière)...

• photoautotrophe

  

  Un organisme photoautotrophe utilise la lumière comme source d'énergie avec la photosynthèse, et le dioxyde de carbone comme source de carbone.