Photon 8764 30919010 2008-06-23T14:14:06Z DumZiBoT 280295 Bot: Lien AdQ pour [[zh:光子]] {{Infobox particule | nom=Photon | image=[[Image:Military laser experiment.jpg|250px|Photons émis dans le faisceau cohérent d’un laser]]<br />Photons émis dans le faisceau cohérent d’un [[laser]]<small></small> | composition=''Élémentaire'' | classification=[[Boson]] | groupe=[[Boson de jauge]] | interactions=[[Force électromagnétique|Électromagnétique]] | masse=0 | charge_électrique=0 | spin=1 | durée_vie=''Stable'' | prédiction=[[Albert Einstein]], 1905-1917 | découverte=[[Arthur Compton]], 1923 }} En [[physique des particules]], le '''photon''' (symbolisé par la lettre <math>\gamma</math>) est la [[particule élémentaire]] 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. Dans la conception actuelle de la [[lumière]], les [[ondes électromagnétiques]], des [[onde radio|ondes radio]] aux [[rayon gamma|rayons gamma]] en passant par la [[lumière visible]], sont toutes constituées de photons. Le concept de photon a été développé par [[Albert Einstein]] entre 1905 et 1917 pour expliquer des observations expérimentales qui ne pouvaient être comprises dans le cadre d’un modèle ondulatoire classique de la lumière<ref name="Einstein1905">{{cite journal | last = Einstein | first = A | authorlink = Albert Einstein | year = 1905 | title = Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (trans. A Heuristic Model of the Creation and Transformation of Light) | journal = [[Annalen der Physik]] | volume = 17 | pages = 132–148}} {{de icon}}. Une [[s:en:A Heuristic Model of the Creation and Transformation of Light|version anglaise]] est disponible sur [[Wikisource]].</ref>{{,}}<ref name="Einstein1909">{{cite journal | last = Einstein | first = A | authorlink = Albert Einstein | year = 1909 | title = Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung (trans. The Development of Our Views on the Composition and Essence of Radiation) | journal = Physikalische Zeitschrift | volume = 10|pages = 817–825}} {{de icon}}. Une [[s:en:The Development of Our Views on the Composition and Essence of Radiation|version anglaise]] est disponible sur [[Wikisource]]. </ref>{{,}}<ref name="Einstein1916a">{{cite journal | last = Einstein | first = A | authorlink = Albert Einstein | year = 1916a | title = Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie | journal = Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft | volume = 18 | pages = 318}} {{de icon}}</ref>{{,}}<ref name="Einstein1916b">{{cite journal | last = Einstein | first = A | authorlink = Albert Einstein | year = 1916b | title = Zur Quantentheorie der Strahlung | journal = Mitteilungen der Physikalischen Geselschaft zu Zürich | volume = 16 | pages = 47}}. Voir également ''Physikalische Zeitschrift'', '''18''', 121–128 (1917) {{de icon}}</ref>. Il a ainsi montré que parallèlement à ses propriétés ondulatoires – [[interférence]]s et [[diffraction]] –, la propagation du champ électromagnétique présente simultanément des propriétés corpusculaires. Les photons sont des « paquets » d’énergie élémentaires ou [[théorie des quanta|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 [[laser]]s, les [[condensat de Bose-Einstein|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 masse nulle et de [[spin]] égal à 1, c’est donc un [[boson]]<ref>La matière quant à elle est constituée de [[fermion]]s, comme, entre autres, les [[quark]]s dont sont faits les [[noyau atomique|noyaux atomiques]], et les électrons qui leur sont liés.</ref>. On utilise généralement le symbole γ (''gamma'') pour le désigner. L’énergie d’un photon de lumière visible est de l’ordre de {{unité|2|[[Électron-volt|eV]]}}, soit ~<math>10^9</math> fois moins que l’énergie nécessaire pour créer un atome d’hydrogène. En conséquence, les sources de rayonnement habituelles ([[Antenne radioéléctrique|antennes]], [[lampe]]s, [[laser]], etc.) produisent de très grandes quantités de photons<ref>pour autant, il y a plus d’atomes dans l’eau qui coule d’un robinet pendant 1 seconde que de photons perçus par la rétine au cours de la même durée lors d’un clair de Lune</ref>, ce qui explique que la nature "granulaire" de l’énergie lumineuse soit négligeable dans de nombreuses situations physiques. Il existe cependant des processus permettant de produire des photons un par un : * [[transition électronique]] ; * [[physique nucléaire|transition nucléaire]] ; * annihilation de paires [[physique des particules|particule]]-[[antimatière|antiparticule]]. == Historique == === Origine du terme "photon" === Les photons ont originellement été appelés '''« quanta de lumière »''' ({{lang|de|''das Lichtquant''}}) par [[Albert Einstein]]<ref name="Einstein1905" />. Le nom moderne « photon » est dérivé du mot grec qui signifie lumière, ''{{polytonic|φῶς}}'', ''{{polytonic|φωτός }}'' (translittéré ''phos'', ''photos''), et a été choisi en 1926 par le chimiste [[Gilbert N. Lewis]], dans la publication d’une théorie spéculative<ref name="Lewis1926">{{cite journal | last = Lewis | first = GN | authorlink = Gilbert N. Lewis | title = The conservation of photons|journal = [[Nature (journal)|Nature]] | year = 1926 | volume = 118 | pages = 874–875}}</ref> dans laquelle les photons étaient « incréables et indestructibles ». Bien que la théorie de Lewis ne fut jamais acceptée, étant contredite par plusieurs expérimentations, son nouveau nom, ''photon'', fut adopté immédiatement par la communauté scientifique. En physique, un photon est représenté par le symbole <math>\gamma \!</math>, la lettre grecque [[gamma]]. L’utilisation de ce symbole pour le photon provient probablement des [[rayon gamma|rayons gamma]], qui furent découverts et nommés en 1900 par [[Paul Villard|Paul Ulrich Villard]]<ref>{{cite journal | last = Villard | first = P | authorlink = Paul Ulrich Villard | year = 1900 | title = Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium | journal = Comptes Rendus | volume = 130 | pages = 1010–1012}}</ref>{{,}}<ref>{{cite journal | last = Villard | first = P | authorlink = Paul Ulrich Villard | year = 1900 | title = Sur le rayonnement du radium | journal = Comptes Rendus | volume = 130 | pages = 1178–1179}} {{fr icon}}</ref>. En 1914, [[Ernest Rutherford|Rutherford]] et Edward Andrade<ref>{{cite journal | last = Rutherford | first = E | authorlink = Ernest Rutherford | coauthors = Andrade ENC | year = 1914 | title = The Wavelength of the Soft Gamma Rays from Radium B | journal = [[Philosophical Magazine]] | volume = 27|pages = 854–868}}</ref> démontraient que ces rayons gamma étaient une forme de lumière. En [[chimie]] et en [[optique]], les photons sont habituellement symbolisés par <math>h \nu \!</math>, l’énergie du photon, où <math>h \!</math> est la [[constante de Planck]] et la lettre grec <math>\nu \!</math> (nu) est la fréquence du photon. À l’occasion, le photon peut être symbolisé par ''hf'', où sa fréquence est identifié 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 {{s-|XVIII|e}}, on considère que la lumière est constituée de particules. Bien que des modèles ondulatoires soient proposés par [[René Descartes]] (1637)<ref>{{ouvrage | nom = Descartes | prénom = René | titre = Discours de la méthode | année = 1637}}</ref>, [[Robert Hooke]] (1665)<ref>{{ouvrage | nom = Hooke | prénom = Robert | année = 1665 | url = http://digital.library.wisc.edu/1711.dl/HistSciTech.HookeMicro '| titre = Micrographia: or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon...}}</ref>, et [[Christian Huygens]] (1678)<ref>{{ouvrage | nom = Huygens | prénom = Christian | année = 1678 | titre = Traité de la lumiere}}</ref>, les modèles particulaires restent dominants, en partie en raison de l’influence d’[[Isaac Newton]]<ref name="Newton1730">{{ouvrage | nom = Newton | prénom = Isaac | année = 1730 | titre = Opticks | édition=4th edition | pages=Book II, Part III, Propositions XII–XX; Queries 25–29 | éditeur = Dover Publications | id=ISBN 0-486-60205-2}}</ref>. Un changement de [[paradigme]] a lieu à partir de la mise en évidence des phénomènes d’[[interférence]]s et de [[diffraction]] de la lumière par [[Thomas Young]] et [[Augustin Fresnel]] au début du {{s-|XIX|e}}, et vers 1850 les modèles ondulatoires deviennent la règle<ref>{{ouvrage | nom = Buchwald | prénom = Jed Z. | année = 1989 | titre = The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century | éditeur = University of Chicago Press | id=ISBN 0-226-07886-8}}</ref>. La prédiction par [[James Clerk Maxwell|Maxwell]] en 1865 du fait que la lumière soit une onde électromagnétique<ref name="maxwell">{{Maxwell1865}} Cet article suit une présentation par Maxwell à la Royal Society le 8 décembre 1864.</ref>, suivie de la confirmation expérimentale de Hertz en 1888<ref name="hertz">{{cite journal | last = Hertz | first = H | authorlink = Heinrich Hertz | year = 1888 | title = Über Strahlen elektrischer Kraft | journal = Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin) | volume = 1888 | pages = 1297–1307}} {{de icon}}</ref>, semblent porter un coup de grâce aux théories corpusculaires de la lumière. La [[Équations de Maxwell|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 {{s mini-|XIX|e}} et au début du {{s-|XX|e}} sur le rayonnement du [[corps noir]]<ref name="Wien1911">{{Lien web|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1911/wien-lecture.html | title = Wilhelm Wien Nobel Lecture|titre=Wilhelm Wien Nobel Lecture}} du 11 décembre 1911.</ref> sont reproduits théoriquement par [[Max Planck]] en 1900 en supposant que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence <math>\nu</math> ne peut recevoir ou émettre de l’[[énergie électromagnétique]] que par ''paquets'' de valeur bien déterminée égale à <math>h \nu</math> – ces paquets étant appelés des ''[[Mécanique quantique|quanta]]''<ref name="Planck1901">{{cite journal | last = Planck | first = M | authorlink = Max Planck | year = 1901 | title = Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum | journal = [[Annalen der Physik]] | volume = 4 | pages = 553–563}} {{de icon}}</ref>{{,}}<ref name="Planck1918">{{Lien web|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1918/planck-lecture.html|title = Max Planck’s Nobel Lecture|titre=Max Planck’s Nobel Lecture}} du 2 juin 1920.</ref>. Puisque les [[équations de Maxwell]] autorisent n’importe quelle valeur de l’[[énergie électromagnétique]], la plupart des physiciens pensent initialement que cette quantification de l’énergie échangée est due à des contraintes encore inconnues sur ''la matière'' qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein est le premier à proposer que la quantification de l’énergie soit une propriété de ''la lumière elle-même''<ref name="Einstein1905" />. 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<ref name="Einstein1905" />. 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<ref name="Millikan1923">{{Lien web|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1923/millikan-lecture.html | title = Robert A. Millikan’s Nobel Lecture|titre=Robert A. Millikan’s Nobel Lecture}} du 23 mai 1924.</ref>. En 1909<ref name="Einstein1909" /> et en 1916<ref name="Einstein1916b" />, Einstein montre que, si la loi de Planck du rayonnement du corps noir est exacte, les quanta d’énergie doivent également transporter une impulsion <math>p=h/\lambda</math>, ce qui en fait des particules à part entière. L’impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement par [[Arthur Compton]]<ref name="Compton1923">{{cite journal | last = Compton | first = A | authorlink = Arthur Compton | year = 1923 | title = [http://www.aip.org/history/gap/Compton/01_Compton.html A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements] | journal = [[Physical Review]] | volume = 21 | pages = 483–502}}</ref>, ce qui lui valut le prix Nobel de 1927. === Objections à l’hypothèse des quanta de lumière === Pendant tout le début de {{s-|XX|e}} 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<ref>{{cite journal | last = Zeilinger | first = Anton | year = 2000 | title = The quantum centennial | journal = Nature | volume = 408|pages = 639–641}}</ref> : :{{citation|''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<ref name="Mandel2000">{{cite journal | last = Mandel | first = L. | year = 2000 | title = The case for and against semiclassical radiation theory | journal = Progress in optics | volume = XIII | pages = 27–68}}</ref>. 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<ref name="Mandel2000" />). 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<ref name="Millikan1923" />. Dans une dernière tentative de sauver la variation continue de l’énergie électromagnétique et de la rendre compatible avec les expériences, Bohr, [[Hendrik Anthony Kramers|Kramers]] et [[John Slater|Slater]] développent un modèle basé sur deux hypothèses drastiques<ref name="Bohr1924">{{cite journal | last = Bohr | first = N | authorlink = Niels Bohr | coauthors = [[Hendrik Anthony Kramers|Kramers HA]] and [[John C. Slater|Slater JC]] | year = 1924 | title = The Quantum Theory of Radiation|journal = [[Philosophical Magazine]] | volume = 47 | pages = 785–802}} Également dans ''[[Zeitschrift für Physik]]'', '''24''', 69 (1924).</ref> : * '''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 (physique)|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"<ref name="Pais1982">{{ouvrage | nom = Pais | prénom = A | année = 1982 | titre = Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein | éditeur = Oxford University Press }}</ref>. 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<ref name="preuves_exp">Ces expériences produisent des corrélations qui ne peuvent être expliquées par une théorie classique de la lumière, puisqu’elles résultent du processus quantique de la mesure. En 1974, Clauser a montré une violation d’une inégalité de Cauchy-Schwarz classique (''Phys. Rev. D'' '''9''':853). En 1977, Kimble et ses collaborateurs ont démontré un effet de dégroupement de photons à l’aide d’un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, alors qu’une approche classique montrerait un groupement des photons (''Phys. Rev. Lett.'' '''39''':691). Cette approche a également été suivie par Grangier et ses collaborateurs en 1986 (''Europhys. Lett.'' '''1''':501). Voir également la discussion et les simplifications faites par Thorn ''et al.'', ''Am. J. Phys.'' '''72''':1210 (2004).</ref>. 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<ref>{{cite journal | last = Brune | first = M | authorlink = Michel Brune | coauthors = Schmidt-Kaler F, Maali A, Dreyer J, Hagley E, Raimond JM, and Haroche S | year = 1996 | title = Quantum Rabi Oscillation: A Direct Test of Field Quantization in a Cavity |journal = Phys. Rev. Lett. | volume = 76 | pages = 1800–1803}}</ref>{{,}}<ref>{{cite journal | last = Gleyzes | first = S | authorlink = Sébastien Gleyzes | coauthors = Kuhr S, Guerlin C, Bernu J, Deléglise S, Busk Hoff U, Brune M, Raimond JM, and Haroche S | year = 2007 | title = Quantum jumps of light recording the birth and death of a photon in a cavity |journal = Nature | volume = 446 | pages = 297–300}}</ref>, de sorte que la prédiction d’Einstein est considérée comme [[réfutabilité|prouvée]]. === Prix Nobel en lien avec la notion de photon === Prix Nobel attribués en lien avec la notion de photon : * [[1918]] : '''[[Max Planck]]''' "{{lang|en|''in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta''}}"<ref>''En reconnaissance des services rendus pour l’avancement de la physique dans la découverte des quantas d’énergie'', {{lien web|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1918/index.html|auteur=Fondation Nobel|titre=The Nobel Prize in Physics 1918|consulté le=26 décembre 2007}}</ref> * [[1921]] : '''[[Albert Einstein]]''' "{{lang|en|''for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect''}}"<ref>''Pour les services rendus à la physique théorique, spécialement pour la découverte de la loi de l’effet photoélectrique'', {{lien web|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1921/index.html|auteur=Fondation Nobel|titre=The Nobel Prize in Physics 1921|consulté le=26 décembre 2007}}</ref> * [[1923]] : '''[[Robert A. Millikan]]''' "{{lang|en|''for his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect''}}"<ref>''Pour son travail sur les charges électriques élémentaires et sur l’effet photoélectrique'', {{lien web|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1923/index.html|auteur=Fondation Nobel|titre=The Nobel Prize in Physics 1923|consulté le=26 décembre 2007}}</ref> * [[1927]] : '''[[Arthur H. Compton]]''' "{{lang|en|''for his discovery of the effect named after him''}}"<ref>''Pour la découverte de l'effet portant son nom'', {{lien web|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1927/index.html|auteur=Fondation Nobel|titre=The Nobel Prize in Physics 1927|consulté le=26 décembre 2007}}</ref> (partagé avec [[Charles Thomson Rees Wilson]]) * [[1965]] : '''[[Sin-Itiro Tomonaga]], [[Julian Schwinger]] et [[Richard P. Feynman]]''' "{{lang|en|''for their fundamental work in quantum electrodynamics, with deep-ploughing consequences for the physics of elementary particles''}}"<ref>''Pour leur travail fondamental sur l'électrodynamique quantique, avec de profondes conséquences sur la physique des particules élémentaires'', {{lien web|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1965/index.html|auteur=Fondation Nobel|titre=The Nobel Prize in Physics 1965|consulté le=26 décembre 2007}}</ref> * [[2005]] : '''[[Roy J. Glauber]]''' "{{lang|en|''for his contribution to the quantum theory of optical coherence''}}"<ref>''Pour sa contribution à la théorie quantique de la cohérence optique'', {{lien web|url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2005/index.html|auteur=Fondation Nobel|titre=The Nobel Prize in Physics 2005|consulté le=26 décembre 2007}}</ref> (partagé avec [[John L. Hall]] et [[Theodor W. Hänsch]]) == Propriétés physiques == {{Voir aussi|Relativité restreinte}} Le photon n’a pas de [[charge électrique]]<ref name="chargeless">{{cite journal | last = Kobychev | first = V V | coauthors = Popov, S B | year = 2005 | title = Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources | journal = Astronomy Letters | volume = 31 | pages = 147–151|doi = 10.1134/1.1883345 }}</ref> (expérimentalement, sa charge électrique est inférieure à {{unité|5.10<sup>-30</sup>|e}}<ref name="Particle Data Group">{{pdf}} [http://www.iop.org/EJ/mmedia/0954-3899/33/1/001/ghb.pdf?request-id=QDkq0FnW3BGUcSjP2wi7Kg Particle Physics Booklet]</ref>) et ne se désintègre pas de façon spontanée dans le vide. Le photon est également sans masse : expérimentalement, elle est inférieure à {{unité|6.10<sup>-17</sup>|eV/c²}}<ref name="Particle Data Group" />. Un photon a deux états de [[polarisation]] possibles et est décrit par trois paramètres continus : les composantes de son [[vecteur d'onde|vecteur d’onde]], qui déterminent sa longueur d’onde λ et sa direction de propagation. Les photons sont émis à partir de plusieurs processus, par exemple lorsqu’une charge est accélérée, quand un [[atome]] ou un [[noyau atomique|noyau]] saute d’un [[niveau d'énergie|niveau d’énergie]] élevé à un niveau plus faible, ou quand une particule et son antiparticule s’annihilent. Des photons sont absorbés par le processus inverse, par exemple dans la production d’une particule et de son antiparticule ou dans les transitions atomiques et nucléaires vers des niveaux d’énergie élevés. [[Image:Electron-positron-scattering.svg|220px|thumb|right|Un [[Diagramme de Feynman]] de l’échange d’un photon virtuel (symbolisé par la ligne ondulée et le gamma, <math>\gamma \,</math>) entre un [[positron]] et un [[électron]].]] Comme le photon est sans masse, il se déplace dans le vide à la vitesse ''c'' (la [[vitesse de la lumière]] dans le vide) et son [[énergie]] ''E'' et la [[quantité de mouvement]] ''p'' sont reliées par ''E = c•p''. En comparaison, l’équation correspondante pour des particules de masse invariable ''m'' serait <math>E^{2} = c^{2} p^{2} + m^{2} c^{4} \!</math>, comme démontré en relativité restreinte. De la lumière monochromatique de [[fréquence]] ν est constituée de photons d’énergie ''E'' dépendant uniquement de ν : :<math> E = \hbar\omega = h\nu = \frac{h c}{\lambda} </math>, et de quantité de mouvement (ou ''impulsion'') ''p'' : :<math> \mathbf{p} = \hbar \mathbf{k} </math>, où <math>\hbar = h/2\pi \!</math> ([[Constante de Planck|constante de Dirac ou constante de Planck réduite]]), <math>\mathbf{k}</math> est le [[Vecteur d'onde|vecteur d’onde]] du photon, d’amplitude <math>k = 2\pi/\lambda \!</math> et dirigé selon la direction de propagation du photon, et <math>\omega = 2\pi\nu \!</math> est sa [[fréquence angulaire]]. Comme pour les autres particules, un photon peut se trouver dans un état dont l’énergie n’est pas bien définie, comme par exemple dans le cas d’un paquet d’onde. Dans ce cas, l’état du photon est décomposable en une superposition d’ondes monochromatiques de longueurs d’onde voisines (via une [[transformée de Fourier]]). Le photon possède également un [[spin]] qui est indépendant de sa fréquence. L’amplitude du spin est <math>\sqrt{2} \hbar </math> et la composante mesurée dans la direction de propagation, appelée [[hélicité]], doit être <math>\pm\hbar</math>. Les deux hélicités possibles correspondent aux deux états possibles de [[Polarisation (optique)|polarisation]] circulaire du photon (horaire et anti-horaire). Comme en électromagnétisme classique, une polarisation linéaire correspond à une superposition de deux états d’hélicité opposée. <!--Ce qui suit est plutôt une conséquence de la conservation du moment cinétique que des propriétés du photon--> Une conséquence importante de ces formules est que l’annihilation d’une particule et de son antiparticule ne peut pas se faire sous la forme d’un seul photon. En effet, dans le référentiel du centre de masse, les particules entrant en collision n’ont pas de quantité de mouvement, alors qu’un seul photon a toujours une certaine quantité de mouvement. La loi de conservation de la quantité de mouvement nécessite donc qu’au moins deux photons soient créés, avec une quantité de mouvement nette nulle. L’énergie des deux photons peut être déterminée en respectant [[Loi de conservation|les lois de conservation]]. Le processus inverse, la [[création de paires]], est le mécanisme dominant par lequel des photons de haute énergie (comme les [[rayon gamma|rayons gamma]]) perdent leur énergie en passant à travers la matière. Les formules classiques de l’énergie et de la quantité de mouvement des radiations électromagnétiques peuvent être ré-exprimés en terme d’événements reliés aux photons. Par exemple, la pression des radiations électromagnétiques sur un objet provient du transfert de quantité de mouvement des photons par unité de temps et de surface de cet objet. Lorsqu’ils se déplacent dans la matière, les photons interagissent avec les charges électriques présentes dans le milieu pour donner lieu à de nouvelles [[quasiparticule]]s ; ainsi, dans un [[diélectrique]], une onde de [[Polarisation (diélectrique)|polarisation]] coexiste avec l'onde électromagnétique pour donner une onde couplée dont la [[relation de dispersion]] est différente ; lorsque cette onde est [[quantification (physique)|quantifiée]], on obtient des particules qui ne sont pas des photons, mais des [[polariton]]s, issus du couplage entre les photons et la matière. Les polaritons se déplacent moins vite que les photons dans le vide ; schématiquement, on peut dire que le photon se déplace toujours à la même vitesse mais qu'il est absorbé et réémis (un peu plus tard) par les atomes de la matière, ce qui donne l’impression – macroscopiquement – que la lumière ralentit. == Modèles == === Bille de lumière === La première image que l’on a du photon est la « bille de lumière », la lumière serait composée de grains qui voyageraient à [[Vitesse de la lumière|{{unité|299792458|m/s}}]] ([[Vitesse de la lumière]]). Dans ce modèle, un flux d’énergie lumineuse donné est décomposé en billes dont l’énergie dépend de la [[longueur d'onde|longueur d’onde]] λ et vaut ''[[constante de Planck|h]].[[vitesse de la lumière|c]]/λ''. Ainsi, pour une lumière monochromatique (c’est-à-dire dont le [[spectre électromagnétique|spectre]] se résume à une seule longueur d’onde), le flux d’énergie est composé en beaucoup de « petites » billes si la longueur d’onde est grande (du côté du rouge), ou de peu de « grosses » billes si la longueur d’onde est petite (du côté du bleu) — les qualificatifs « petit » et « gros » ne sont pas relatifs à la taille des billes, mais à la quantité d’[[énergie]] qu’elles comportent. Si la lumière est composée de plusieurs longueurs d’onde, alors le flux d’énergie se compose de billes de « grosseurs » diverses. Cette vision, simpliste selon les normes actuelles, ne permet pas d’expliquer correctement toutes les propriétés de la lumière. === Paquet d’onde === [[Image:Photon paquet onde.png|thumb|300px|le paquet d’onde, un modèle du photon : on a une onde monochromatique de longueur d’onde λ inscrite dans une enveloppe de largeur finie.]] On peut représenter au premier abord les photons par des ''paquets d’onde'' : l’onde électromagnétique n’est pas une [[sinusoïde]] d’extension infinie, il y a une enveloppe d’amplitude importante encadrée par d’autres enveloppes nettement moins significatives. Ce modèle est insuffisant. En effet, dans une telle configuration, le photon devrait s’élargir au fur et à mesure de sa progression (on parle de l’« étalement du paquet d’onde »), l’énergie devrait être de moins en moins concentrée. Or, on constate que même après un trajet interstellaire de plusieurs milliers d’[[année-lumière|années-lumière]], les propriétés des photons sont exactement les mêmes. === Dualité onde-corpuscule === Le photon est un concept pour expliquer les interactions entre les rayonnements électromagnétiques et la matière. Comme pour les autres [[particule élémentaire|particules élémentaires]], il a une [[dualité onde-particule]]. On ne peut parler de photon en tant que particule qu’au moment de l’interaction. En dehors de toute interaction, on ne sait pas — et on ne peut pas savoir — quelle « forme » a ce rayonnement. On peut imaginer que le photon serait une concentration qui ne se formerait qu’au moment de l’interaction, puis s’étalerait, et se reformerait au moment d’une autre interaction. On ne peut donc pas parler de « localisation » ni de « trajectoire » du photon. On peut en fait voir le photon comme une particule quantique, c’est-à-dire un objet mathématique défini par sa [[fonction d'onde|fonction d’onde]] qui donne la probabilité de présence. Attention à ne pas confondre cette fonction et l’onde électromagnétique classique. Ainsi, l’onde électromagnétique, c’est-à-dire la valeur du [[champ électrique]] et du [[champ magnétique]] en fonction de l’endroit et du moment (<math>\vec{E}(\vec{x},t)</math> et <math>\vec{B}(\vec{x},t)</math>), a donc deux significations : * macroscopique : lorsque le flux d’énergie est suffisamment important, ce sont les champs électrique et magnétique mesurés par un appareil macroscopique (par exemple [[Antenne radioéléctrique|antenne]] réceptrice, un [[électroscope]] ou une [[effet Hall|sonde de Hall]]) ; * microscopique : elle représente la probabilité de présence des photons, c’est-à-dire la probabilité qu’en un endroit donné il y ait une interaction quantifiée (c’est-à-dire d’une énergie ''hν'' déterminée). == Notes et références == {{Références | colonnes = 2}} == Voir aussi == {{Wiktionnaire|photon}} === Articles connexes === * [[Électrodynamique quantique]] * [[Théorie quantique des champs]] * [[Optique]] * [[Phénomène optique]] * [[Lumière]] === Bibliographie === ==== Ouvrages de vulgarisation ==== * [[Richard Feynman]] ; ''Lumière & matière : une étrange histoire'', InterEditions (1987), ISBN 2-7296-0154-6. Réédition en poche dans la collection Points Sciences '''86''', Le Seuil (1999), ISBN 2-02-014758-0. ==== Ouvrages de référence ==== * [[Claude Cohen-Tannoudji]], Jacques Dupont-Roc & Gilbert Grynberg, ; ''Photons & atomes - Introduction à l’électrodynamique quantique'', InterEditions/CNRS (1987), ISBN 2-7296-0156-2. Réédition EDP Sciences/CNRS, ISBN 2-86883-535-X. ==== Sur le concept de « fonction d’onde » pour le photon ==== * Iwo Bialynicki-Birula ; {{lang|en|''Photon wave function''}}, Progress in Optics '''36''', Emil Wolf, Editor, Elsevier (1996). ArXiv : [http://arxiv.org/abs/quant-ph/0508202 quant-ph/0508202]. * Felix Bussières et Y. Soudagar ; ''Le problème de la localisation du photon'', Séminaire donné dans le cadre du cours « Optique quantique », PHS 6201, École Polytechnique de Montréal (Avril 2006). [http://www.iro.umontreal.ca/~bussierf/publications/localisation.pdf lire en ligne]{{pdf}}. === Liens externes === * {{en}} [http://pdg.lbl.gov/2006/listings/s000.pdf Caractéristiques du photon]{{pdf}} (''[[Particle Data Group]]'') {{Tableau particules}} {{Portail physique}} {{lien AdQ|en}} [[Catégorie:Boson]] [[Catégorie:Optique quantique]] [[Catégorie:Électrodynamique quantique]] [[ar:فوتون]] [[az:Foton]] [[bg:Фотон]] [[bs:Foton]] [[ca:Fotó]] [[cs:Foton]] [[da:Foton]] [[de:Photon]] [[el:Φωτόνιο]] [[en:Photon]] [[eo:Fotono]] [[es:Fotón]] [[et:Footon]] [[fa:فوتون]] [[fi:Fotoni]] [[ga:Fótón]] [[gl:Fotón]] [[he:פוטון]] [[hr:Foton]] [[hu:Foton]] [[id:Foton]] [[it:Fotone]] [[ja:光子]] [[ko:광자]] [[ku:Foton]] [[la:Photon]] [[lt:Fotonas]] [[lv:Fotons]] [[ml:ഫോട്ടോണ്‍]] [[ms:Foton]] [[nds:Photon]] [[nl:Foton]] [[nn:Foton]] [[no:Foton]] [[pl:Foton]] [[pt:Fóton]] [[ro:Foton]] [[ru:Фотон]] [[scn:Fotoni]] [[sh:Foton]] [[simple:Photon]] [[sk:Fotón]] [[sl:Foton]] [[sq:Fotoni]] [[sr:Фотон]] [[sv:Foton]] [[tr:Foton]] [[uk:Фотон]] [[ur:نوریہ]] [[vi:Photon]] [[zh:光子]] {{Lien AdQ|zh}}