Chapitres
La dualité onde-particule
La lumière est une onde électromagnétique. Cependant, certaines de ses caractéristiques démontrent qu'elle se comporte également comme un ensemble de particules : c'est ce que l'on appelle la dualité onde-particule (généralisée en "dualité onde-corpuscule" lorsqu'on considère tous les objets de l'univers microscopique).
Historique
Au XVIIème siècle, le physicien néerlandais Huygens donne la théorie ondulatoire de la lumière : les ondes lumineuses peuvent interférer de manière à former un front d'onde se propageant en ligne droite. Cette théorie sera confirmée par les expériences de Young et Fresnel sur la diffraction au début du XIXème siècle.
En 1672, Newton propose une théorie opposée à celle de Huygens sur la lumière, qui serait constituée de "petites particules".
Les équations de Maxwell, à la fin du XIXe siècle, expliquent la lumière en tant que propagation d'ondes électromagnétiques.
Enfin, en 1905, Einstein réconcilie la théorie de Huygens avec celle de Newton. Il postule l'existence de « particules » transportant des quanta d'énergie lumineuse. La fréquence v de cette lumière est liée à l'énergie E de ces particules par la constante de Planck.
Quelques années plus tard, Lewis les qualifie de « photons ».
Caractéristiques de l’onde lumineuse
Une onde électromagnétique comme la lumière se propage sans milieu matériel. La lumière est une onde sinusoïdale et vectorielle car l’énergie lumineuse est portée par une onde électromagnétique. Elle est formée par un champ électrique E et un champ magnétique B perpendiculaire entre eux, en phase (de même longueur d’onde), et perpendiculaires à la direction de propagation de l’onde : l’onde lumineuse est donc transversale.
Qu'est-ce qu'un photon ?
L'énergie de la lumière est divisée en paquets bien définis que l'on appelle quanta (quantum au singulier). Les quanta sont associés à des particules appelées photons.
Les photons sont donc les particules élémentaires qui composent la lumière. Le photon n’est cependant pas uniquement associé à la lumière, mais à toutes les ondes électromagnétiques.
La physique quantique classe le photon dans la catégorie des bosons : c’est donc une particule de spin (on parle aussi de moment cinétique, qui pourrait être assimilé à une rotation de la particule sur elle-même) entier.
Les caractéristiques des photons
Un photon est une particule qui possède une masse nulle, qui n'a pas de charge électrique (mais possède deux état de polarisation) qui se déplacent en permanence à la vitesse de la lumière. Lors du passage dans un milieu matériel, l’énergie du photon est invariante car la fréquence est invariante.
L'énergie des photons
L'énergie d'un photon dépend uniquement de la fréquence de la lumière. Cette énergie peut être calculée grâce à la relation suivante :
![\[\triangle E=h\times\nu\]](https://www.superprof.fr/ressources/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-1991b5503d249c83aa98a5fe039f43d5_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Dans cette formule :
- ΔE est le quantum d'énergie associé au photon et exprimé en joule (J)
- h est la constante de Planck : h = 6,63 x 10-34s
- ν est la fréquence de la lumière en hertz (Hz)
Par ailleurs il est aussi possible d'exprimer l'énergie d'un photon en fonction de sa longueur d'onde. On sait que :
![\[\nu=\frac{1}{T}\]](https://www.superprof.fr/ressources/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-d69a220ed4e541d7bf9971d670e84e3e_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
De même :
![\[T=\frac{\lambda}{c}\]](https://www.superprof.fr/ressources/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-cfe8d2732706168bbbcd7c0fd3001a10_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
On peut donc en déduire une nouvelle expression de la fréquence :
![\[\nu=\frac{c}{\lambda}\]](https://www.superprof.fr/ressources/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-5b9b23dcd4d3d9a879905be5fb3eefb5_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Ainsi, l'énergie peut être exprimée de la façon suivante :
![\[\triangle E=h\times\frac{c}{\lambda}\]](https://www.superprof.fr/ressources/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-b853f40e689f6019a7619912d17e10a8_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Avec toutes les données précédentes, il est également possible de simplifier cette formule, avec l'énergie en électronvolts (eV) plutôt qu'en joules (J), et la longueur d'onde en nanomètres (nm).
![\[E=\frac{1240}{\lambda}\]](https://www.superprof.fr/ressources/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-02917fc108317f444c2e1d6f2ae21ecb_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Un électron-Volt correspond à l’énergie cinétique acquise par un électron accéléré depuis le repos par une différence de potentiel de 1V. Il est possible d’effectuer la conversion suivante : 1 eV = 1,602 x 10-19
Interaction des photons avec la matière
Interaction avec les électrons
Les photons ont initialement été décrits par Einstein d’après leur interaction avec les électrons. En effet, c’est en tentant d’expliquer l’effet photoélectrique qu’Einstein émit l’hypothèse des « quanta d’énergie » constituant la lumière.
L’effet photoélectrique est lié à l’intégration entre un photon et un électron. Lorsqu’un photon est projeté au sein du nuage électronique d’un atome, notamment au sein des couches électroniques les plus profondes, l’énergie E de ce photon peut être totalement transférée à l’électron, qui est ainsi éjecté hors de l’atome.
- L’atome est ionisé et le photon disparaît : on parle d’absorption totale.
- Il est également possible que le photon ne soit pas totalement absorbé : on parle alors de diffusion.
- Si un photon, le plus souvent de faible énergie, passe à proximité du nuage électronique d’un atome, il ne sera que dévié sans modification d’énergie : on parle de diffusion simple (cohérente et élastique).
Ce phénomène n’entraîne pas d’ionisation. Dans le cas d’une diffusion Compton (considérée comme une diffusion incohérente ou inélastique), qui concerne principalement les électrons des couches externes dans les atomes possédant un numéro atomique Z élevé, le photon incident cède (en étant dévié mais pas absorbé) une partie de son énergie à l’électron, qui sera alors éjecté formant un électron Compton. L’atome est ionisé.
Lors de l’éjection de l’atome, l’énergie du photon incident se divise entre le photon diffusé et l’électron sous forme d’énergie cinétique. Si le photon est absorbé, toute son énergie est transférée à l’électron.
Interaction avec les noyaux
Si l'énergie du photon incident à proximité d'un noyau est supérieure à 1,022 MeV, ce photon peut se matérialiser en une paire électron-positon. L'énergie du photon va se répartir également entre ces deux particules. Une fois l’énergie cinétique épuisée, le position va s'annihiler : en rencontrant un électron, le position va émettre deux photons de 511 keV, partant à 180° l'un de l'autre.
Un photon de haute énergie peut également être absorbé par le noyau, qui devient instable et se désintègre en émettant un neutron : c'est l'effet photonucléaire.
AZX + 00Ɣ → A-1ZX + 10n
Cette réaction permet la formation d’un isotope du noyau X, qui sera généralement radioactif.
Utilisation des photons dans la vie courante
Les photons servent essentiellement à produire de la lumière. Ces particules sont donc présentes dans les rayons de nos ampoules, celles du Soleil ou des lasers.
Mais elles ont également une application plus technique.
En effet, les photons trouvent une application dans le milieu médical à travers l’imagerie. Par exemple, la tomodensimétrie (TDM) est basé sur le principe du contraste radiologique, ce qui permet de coder une image radiologique en niveau de gris selon la densité des milieux traversés.
La plateforme qui connecte profs particuliers et élèves
Vous avez aimé cet article ? Notez-le !
Loading...
Si vous désirez une aide personnalisée, contactez dès maintenant l’un de nos professeurs !
Parfait !
Bonjour,
Nos recherches portent sur la récupération électriques des ondes électromagnétiques solaires, hors des fréquences visibles, plutôt proches des ultra violet, rayon X et gammas.
Comment connaître les matériaux ou élément réagissant aux ondes de faible amplitude ou haute fréquence ?
Merci.
Bonjour
Je suis simple amateur mais je me demande si le rubydium ne ferait pas l’affaire ?
charge nulle et charge 0 est-ce la même chose ? est-ce la charge du photon est réellement un zéro absolue ?
Bonjour,
En effet, une charge nulle correspond à une charge de 0. Il faut cependant garder en tête que le zéro absolu est une notion qui n’existe qu’en théorie.
Bonjour,
Est-il possible d’envoyer des photons un par un ?
Bonjour,
En effet, il est bel et bien possible d’émettre des photons à l’unité. Ce procédé existe déjà et très simple à produire.
Il suffit d’envoyer une source lumineuse sur certains atome qui une fois excités émettent un photon, et un seul !
Photon par photon disons plus tôt photon après photon vu qu’on peut isoler un seul atome il suffit ensuite de l’exciter pour qu’il envoie un photon puis un deuxième les photons ainsi émis arrivent l’un après l’autre séparés dans le temps
La réponse est OUI absolument.
Mais ce seul photon passe tout de même par deux fentes séparées.
C’est le fameuse dualité onde (des ronds dans l’eau qui passe par deux écluses)
et corpuscule des (chocs) comme des chocs de billes …. C’est un des fondements de la mécanique quantique.
Il existe un TP classique le prouvant ENSEA première année
Bonjour je de demandais ce que devient l’ énergie de deux photons en opposition de phase…
Bonjour,
D’après les lois de la thermodynamique, une énergie ne disparaît jamais. Ces lois s’appliquent elles aussi en ce qui concerne l’énergie émise par deux photons. Si ces derniers créent des ondes destructives et donc du noir, ils vont néanmoins créer des ondes constructives ailleurs. L’énergie se transforme donc.
Bonjour,
Pour moi dire que le photon est une particule c’est un abus de langage,
C’est juste une quantité d’énergie.
Merci.
Bonjour Jean.
Vous avez partiellement raison.
En effet, selon le thème que l’on aborde le photon peut correspondre à un quantum d’énergie associé aux ondes électromagnétiques. Il présente tout de même certaines caractéristiques de particule élémentaire. Mais, lorsqu’on aborde plus précisément la théorie quantique des champs, le photon correspond alors la particule médiatrice de l’interaction électromagnétique.
Bonjour
Merci pour votre article très clair.
Pourriez vous préciser comment s’interpretent les relations d’indeterminations de Heisenberg en ce qui concerne les photons ?
Cela veut il dire que si on connait précisément le moment d’arrivée d’un photon sur un détecteur alors on ne peut pas connaître sa fréquence ?
Merci d’avance.
Bonjour Rosiernain,
Avant de vous expliquer le principe d’incertitude dans le cas des photons, il est important de rappeler que le photon s’il est dans un état quantique présente un aspect corpusculaire et un aspect ondulatoire, on parle donc parfois de « particlonde » (expression venant de Paul Dirac). Or, si on tente une mesure ou si on confronte le photon a une fente de Young, il ne restera après mesure qu’un seul des aspects du photon, c’est à dire l’aspect ondulatoire ou l’aspect corpusculaire. On peut alors considérer que la particlonde a interféré avec elle-même.
De plus, avec une source unique de photon, il est possible de calculer grâce à la mécanique quantique le motif produit par des millions de photons passant à travers les fentes mais il reste à ce jour impossible de prédire le chemin que va emprunter chaque photon.
Agréable . Merci .
Bonjour. S’il vous plaît je pourrai avoir la démonstration de la relation W=1240/ lambda ?
Bonjour ! Et voici : E = h_bar v = h_bar (2PIf) = h c/lambda = 1240/lambda
Merci mais svp j’ai besoin d’une explication sur les catastrophes violettes
Bonjour,
La catastrophe ultraviolette est l’expression utilisée par le physicien autrichien Paul Ehrenfest pour qualifier les résultats des premières expériences qui étaient en contradiction avec la physique classique. Réalisées entre 1880 et 1900, ces expériences concernaient le rayonnement thermique émis par un corps chauffé, le rayonnement du corps noir1.
Bonne journée
Bonjour ! J’aimerai savoir les limites qu’on peut porter sur la dualité onde-corpuscule
Bonjour, on pourrait évoquer l’appareillage de mesure utilisé, qui peut modifier les choses.
Bonne journée !
Bonjour, merci pour ces informations claires. Cependant vous ne répondez pas à une de mes (nombreuses) interrogations. Le photon est aussi porteur de l’interaction entre les particules chargées qui peuvent être positive ou négatives. L’interaction pouvant être attractive si les charges sont de signe opposées ou répulsives si elles sont de même signe. Le photon doit donc porter le signe de la charge de la particule qui l’a émise pour que la particule réceptive puisse savoir si elle doit se rapprocher de l’émettrice ou au contraire s’en éloigner. Comment cette information est-elle portée par le photon?
Bonjour ! Un photon a une charge nulle, mais possède deux état de polarisation.
Bonne journée !
merci c’est bien que certains partagent leur savoir
Bonjour, j’aimerais savoir un un unique photon, vu comme une onde, peut être émis dans toutes les directions de l’espace, ou s’il est émis dans un cône, ou dans une direction précise.
Merci professeur
Bonjour,
Merci pour ce cours, il y a juste une petite erreur d’inattention sur l’unité de h qui est en J.s . Rien de bien dérangeant mais j’avoue que ça m’a mis le doute ^^ , pourriez- vous le corriger svp ?
Merci
Merci pour ton commentaire Mathilde!
Bonjour, je dois décrire les étapes qui permettent aux photons émis par la lumière solaire arrivant sur la cellule de délivrer un courant électrique, mais je ne comprends pas. Pourriez vous m’aider svp ?
Merci
Bonjour s’il vous plais j’ai besoin de l’interprétation physique de l’interaction photon-atome