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Photons

La lumière joue un rôle fondamental dans nos vies. C'est grâce à elle que l'on voit la journée et même la nuit. La lumière, c'est également un symbole pour la connaissance. En effet, la lumière est un messager, elle transporte de l'information. Sans elle, la vie ne pourrait pas exister.…

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La lumière joue un rôle fondamental dans nos vies. C'est grâce à elle que l'on voit la journée et même la nuit. La lumière, c'est également un symbole pour la connaissance. En effet, la lumière est un messager, elle transporte de l'information. Sans elle, la vie ne pourrait pas exister. Un phénomène si essentiel mérite une étude approfondie. En Physique, on a découvert que la lumière est composée de petites particules élémentaires appelées photons. Ce sont elles qui transmettent les interactions électriques et magnétiques entre particules chargées.

Dans ce résumé, on verra les propriétés des photons caractéristiques comme l'énergie des photons et la masse d'un photon. On verra également comment un photon peut être absorbé ou émis. Alors tiens-toi prêt à devenir éclairé !

Photons : caractéristiques

Le photon est une particule bien particulière. Ce n'est pas une particule de matière. Mais c'est le photon qui permet à la matière d'interagir avec elle-même. Passons en revue la définition du photon et ses différentes propriétés.

Qu'appelle-t-on un photon ?

Le photon est une Particule élémentaire, c'est-à-dire qu'on ne peut pas la décomposer en parties plus petites. Il s'agit d'un petit paquet (ou quantum) d'énergie électromagnétique. C'est la brique de construction de la lumière.

Le photon peut être émis ou absorbé par des particules chargées électriquement. C'est lui qui transmet l'interaction électromagnétique. Si tu pouvais avoir un faisceau de lumière infiniment faible, ta lumière serait composée de quelques photons occasionnels.

Masse d'un photon, charge et vitesse

Contrairement aux autres particules, le photon n'a pas de masse et il n'a pas non plus de charge électrique. Celles-ci sont strictement égales à zéro. Pour cette raison, il ne ressent pas de Force électrique ou gravitationnelle lorsqu'il est en présence d'objets massiques ou chargés électriquement. Il continue sa route imperturbé.

Sa vitesse dans le vide est constante égale à la vitesse de la lumière : \[c\approx 300\ 000\ \textrm{km/s}\]

Cette constance est une des pierres angulaires de la relativité restreinte, une théorie formulée par Albert Einstein en 1905. Cela signifie que si tu observes un faisceau de lumière se propager lorsque tu es au repos, tu verras que celui-ci se déplace à la vitesse \(c\). Maintenant, si tu montes sur un véhicule qui te permet de te déplacer très vite pour essayer de suivre ce faisceau et aller aussi vite que lui, tu verras que le faisceau continue toujours d'aller à cette même vitesse \(c\). C'est étrange n'est-ce pas ?

Énergie des photons

Les photons ont une énergie qui est proportionnelle à leur fréquence. La constante de proportionnalité est nommée après le physicien Max Planck est notée \(h\). La formule est donc : \[\fbox{\(E=h \ \nu\)}\]

où \(E\) est l'énergie du photon ;

\(h\) est la constante de Planck et vaut \(h=6{,}626\times 10^{-34}J. s\) ;

\(\nu\) (prononcé nu) est la fréquence du photon.

Calculons l'énergie d'un photon de longueur d'onde \(\lambda=500\ nm\). On a besoin de la relation entre la longueur d'onde et la fréquence : \[c=\lambda \ \nu\] Si l'on isole \(\nu\), cela donne : \[\nu = \frac{c}{\lambda}\] En utilisant la formule encadrée plus haut, on trouve : \[E=\frac{hc}{\lambda}\] Faisons l'application numérique : \[E= \frac{6{,}67{.}10^{-34} \times 3 {.} 10^8 }{500\ {.}\ 10^{-9}}=4{.}10^{-19}J\] Profitons de ce calcul pour rappeler la définition de l'unité des électrons Volts (eV). Un électron Volt est l'énergie reçue par une charge élémentaire \(e=1{,}6{.}10^{-19}\ C \) accélérée le long d'une différence de potentiel de \(1V\). Ainsi, \[1eV=1,6{.}10^{-19}\ C\times 1V=1{,}6{.}10^{-19}J\]Si l'on inverse cette formule, on trouve que \[1J =\frac{1}{1{,}6{.}10^{-19}}\ eV= 6{,}25{.}10^{18}eV\] Donc finalement, on a : \[E=\frac{4{.}10^{-19}}{1,6{.}10^{-19}}=2{,}5\ eV\]

Spin et Polarisation

En plus de sa fréquence et de sa direction de propagation, le photon a également une propriété appelée le spin. Il s'agit d'une propriété quantique qui n'existe pas à l'échelle macroscopique. Néanmoins, le spin des photons détermine la polarisation de l'onde lumineuse obtenue par l'assemblage de ces photons. La polarisation décrit la direction du Champ électrique associée à l'onde lumineuse. Lorsque le champ est suivant un axe, la polarisation est rectiligne. Lorsque le champ tourne sur un cercle, la polarisation est circulaire.

Photon, lumière polarisation rectiligne, StudySmarter

Photon, lumière polarisation circulaire, StudySmarterFigure 1 - Le spin des photon donne la polarisation de la lumière. Lorsque le Champ électrique oscille sur une droite perpendiculaire à la direction de propagation, la polarisation est rectiligne. Lorsque le Champ électrique tourne sur un cercle perpendiculaire à la direction de propagation, la polarisation est circulaire.

Quantité de mouvement

Te souviens-tu de la quantité de mouvement en mécanique ? Pour un objet de masse \(m\) et de vitesse \(\vec{v}\), on définit sa quantité de mouvement \(\vec{p}=m\vec{v}\). D'après la deuxième loi de Newton, la dérivée temporelle de la quantité de mouvement est égale à la somme des forces extérieures. En revanche, pour le photon, cette expression de la quantité de mouvement n'est plus valable car la masse du photon est nulle alors que sa quantité de mouvement n'est pas nulle. La bonne expression est la suivante : \[\vec{p}=\hbar \vec{k}\] où \(\hbar=\frac{h}{2\pi}\) et \(\vec{k}=\frac{2\pi}{\lambda}\vec{u}\) est le vecteur d'onde dirigé suivant la direction de propagation du photon. Finalement, on peut aussi écrire : \[p=\frac{h}{\lambda}\]

Photon, lumière et matière

On a vu que le photon ne ressent pas la Force électrique ou gravitationnelle, mais c'est en fait lui qui transmet la Force électromagnétique. C'est le messager qui amène la Force. Pour cela, il doit d'abord être émis par une particule chargée et ensuite il est absorbé par une autre particule chargée.

Photons : symbole

Pour décrire l'interaction entre la matière et la lumière, il est courant de faire des dessins pour schématiser les situations que l'on appelle diagrammes de Feynman après le physicien brillant qui les a introduit. Ça a permis à la communauté scientifique de développer une compréhension visuelle et intuitive des cas de figure possibles en physique des particules. Dans tous ces schémas, le symbole utilisé pour représenter le photon est une ligne ondulée accompagnée de la lettre \(\gamma\) (prononcée gamma).

Photon, interaction photon lumière matière, StudySmarterFigure 2 - Diagramme de Feynman décrivant l'interaction entre un électron et un positron par l'intermédiaire d'un photon. Le photon est symbolisé par une ligne ondulée et la lettre \(\gamma\).

Lorsqu'un électron émet un photon, il cède une partie de son énergie et de sa quantité de mouvement. De même, lorsqu'un positron absorbe un photon, il reçoit l'énergie et la quantité de mouvement du photon. On dit qu'il y a conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement.

Photon et rayonnement électromagnétique

Selon la fréquence et donc l'énergie du photon, on peut le classifier dans différentes catégories. On parle du spectre du rayonnement électromagnétique. Voici les différentes catégories d'ondes électromagnétiques, classées des moins énergétiques aux plus énergétiques :

  • Les ondes radio ;
  • Les micro-ondes ;
  • La lumière infrarouge ;
  • La lumière visible ;
  • La lumière ultraviolette ;
  • Les rayons X ;
  • Les rayons gamma.

Photon - Key takeaways

  • Le photon est une Particule élémentaire sans masse et sans charge électrique qui a pour rôle de transmettre l'interaction électromagnétique entre des particules chargées électriquement.
  • Le photon correspond à un paquet d'énergie et d'impulsion électromagnétique. La quantité d'énergie et d'impulsion transportée par un photon est liée à sa fréquence et à sa longueur d'onde par les formules : \[E=h\ \nu\] \[p=\frac{h}{\lambda}\]
  • Le photon possède une propriété quantique appelée spin qui donne lieu à la polarisation de l'onde lumineuse. Celle-ci peut être notamment rectiligne ou circulaire.
  • On représente les interactions entre particules à l'aide des diagrammes de Feynman. Le symbole pour le photon est une ligne ondulée accompagnée de la lettre \(\gamma\) (gamma).

Questions fréquemment posées en Photons

Pour calculer l'énergie du photon, il faut connaître sa fréquence et utiliser la relation suivante E=hf où h est la constante de Planck et f est la fréquence du photon.

Le photon a des caractéristiques bien particulières. En premier lieu, il n'a ni masse ni charge électrique. Ensuite, il se déplace à vitesse constante dans le vide quelque soit le référentiel. Enfin, il possède un spin, lié à la polarisation.

Un photon peut se déplacer dans le vide ou dans la matière. Quelque soit le référentiel, sa vitesse est la même.

L'énergie d'un photon diminue inversement proportionnellement à sa longueur d'onde.

Lorsqu'une particule est dans un niveau excité d'énergie, elle peut spontanément émettre un photon et venir à un niveau plus bas. Si un photon de la bonne fréquence passe par là, il peut y avoir une émission stimulée également.

Évaluation finale de Photons

Photons Quiz - Teste dein Wissen

Question

Vrai ou Faux. Le photon ressent l'interaction électrique.

Montrer la réponse

Réponse

Faux. Le photon n'a pas de charge électrique donc il ne ressent pas de force 

électrique ou magnétique. En revanche, le photon est le porteur de l'interaction électromagnétique. C'est lorsqu'un photon est émis ou absorbé par une particule que celle-ci ressent la force électromagnétique.

Montrer la question

Question

Qu'est-ce que cela signifie que la vitesse de la lumière est constante ?

Montrer la réponse

Réponse

Étant donné que la vitesse de la lumière est constante, si tu poses une lampe et que tu éclaires un faisceau lumineux dans une direction alors même si tu te déplaces très vite dans cette direction, la lumière continuera de se déplacer pour toi à la même vitesse. Ce n'est pas comme un objet normal que tu peux rattraper et qui a donc l'air immobile dans ton référentiel.

Montrer la question

Question

Combien vaut l'énergie d'un photon ?

Montrer la réponse

Réponse

\(E=h\nu\)

Montrer la question

Question

Combien vaut un électron volt ?

Montrer la réponse

Réponse

\(1\ eV=1{,}6\times 10^{-19}\ J\)

Montrer la question

Question

Calcule l'énergie d'un photon de longueur d'onde \(\lambda=800\ nm\). Exprime le résultat en électron volts.

Montrer la réponse

Réponse

\(E=1{,}56\ eV\)

Montrer la question

Question

Cite différents types de polarisations possibles de la lumière. 

Montrer la réponse

Réponse

Rectiligne

Montrer la question

Question

Quel symbole utilise-t-on pour représenter les photons ?

Montrer la réponse

Réponse

Dans les diagrammes de Feynman, on utilise couramment une ligne ondulée accompagnée de la lettre \(\gamma\) (gamma) pour représenter la lumière.

Montrer la question

Question

Trouve le mot manquant. Le photon possède une propriété quantique appelée ............... qui donne lieu à la polarisation de la lumière.

Montrer la réponse

Réponse

spin

Montrer la question

Question

Donne sept catégories d'ondes électromagnétiques.

Montrer la réponse

Réponse

  • Les ondes radio ;
  • Les micro-ondes ;
  • La lumière infrarouge ;
  • La lumière visible ;
  • La lumière ultraviolette ;
  • Les rayons X ;
  • Les rayons gamma. 

Montrer la question

Question

Trouve l'erreur. Puisque la masse du photon est nulle, sa quantité de mouvement \(\vec{p}=m\vec{v}\) est aussi nulle.

Montrer la réponse

Réponse

La masse du photon est bien nulle mais sa quantité de mouvement est donnée par une formule différente de celle des particules de matière. L'impulsion du photon vaut :

\[p=\frac{h}{\lambda}\]

Montrer la question

Question

Calcule l'impulsion d'un photon de longueur d'onde \(\lambda=500\ nm\).

Montrer la réponse

Réponse

\(p=1{,}3{.}10^{-27}\ kg{.}m{.}s^{-1}\)

Montrer la question

Question

Quelle est la relation entre la fréquence et la longueur d'onde ?

Montrer la réponse

Réponse

\(c=\lambda \nu\)

Montrer la question

Question

Quel est le rôle de la lumière ?

Montrer la réponse

Réponse

Transporter de l'information.

Montrer la question

Question

Quelle est la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide ?

Montrer la réponse

Réponse

\[c\approx 300\ 000 \ km/s\]

Montrer la question

Question

À qui doit-on la théorie de la relativité restreinte ?

Montrer la réponse

Réponse

Albert Einstein

Montrer la question

Question

Qui a fait l'hypothèse qui s'est avérée vraie que la lumière est composée de petits paquets (quanta) d'énergie ?

Montrer la réponse

Réponse

Max Planck

Montrer la question

Fiches dans Photons16

Commence à apprendre

Vrai ou Faux. Le photon ressent l'interaction électrique.

Faux. Le photon n'a pas de charge électrique donc il ne ressent pas de force 

électrique ou magnétique. En revanche, le photon est le porteur de l'interaction électromagnétique. C'est lorsqu'un photon est émis ou absorbé par une particule que celle-ci ressent la force électromagnétique.

Qu'est-ce que cela signifie que la vitesse de la lumière est constante ?

Étant donné que la vitesse de la lumière est constante, si tu poses une lampe et que tu éclaires un faisceau lumineux dans une direction alors même si tu te déplaces très vite dans cette direction, la lumière continuera de se déplacer pour toi à la même vitesse. Ce n'est pas comme un objet normal que tu peux rattraper et qui a donc l'air immobile dans ton référentiel.

Combien vaut l'énergie d'un photon ?

\(E=h\nu\)

Combien vaut un électron volt ?

\(1\ eV=1{,}6\times 10^{-19}\ J\)

Calcule l'énergie d'un photon de longueur d'onde \(\lambda=800\ nm\). Exprime le résultat en électron volts.

\(E=1{,}56\ eV\)

Cite différents types de polarisations possibles de la lumière. 

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