L'idée d'une quantification de l'énergie transportée par la lumière a été développée parAlbert Einstein en1905, à partir de l'étude durayonnement du corps noir parMax Planck, pour expliquer l'effet photoélectrique qui ne pouvait pas être compris dans le cadre d’un modèle ondulatoire classique de la lumière, mais aussi par souci de cohérence théorique entre laphysique statistique et la physique ondulatoire[4]. La découverte del'effet Compton en 1923, donnant également des propriétés corpusculaires à la lumière, et l’avènement de lamécanique quantique et de ladualité onde-corpuscule amènent à considérer ce quantum comme une particule, nomméephoton en 1926.
Le photon correspond à un « paquet » d’énergie élémentaire, ouquanta derayonnement électromagnétique, qui est échangé lors de l’absorption ou de l’émission de lumière par la matière. De plus, l’énergie et laquantité de mouvement (pression de rayonnement) d’une onde électromagnétique monochromatique sont égales à un nombre entier de fois celles d’un photon.
L’énergie d’un photon de lumière visible est de l’ordre de2eV, ce qui est extrêmement faible : un photon seul est invisible pour l’œil d'un animal et les sources de rayonnement habituelles (antennes,lampes,laser, etc.) produisent de très grandes quantités de photons, ce qui explique que la nature « granulaire » de l’énergie lumineuse soit négligeable dans de nombreuses situations étudiées par la physique. Il est cependant possible de produire des photons un par un grâce aux processus suivants :
Lesubstantifmasculin[5],[6] « photon » (prononcé[fɔtɔ̃] enfrançais standard)[6] estdérivé[5] de « photo- »[5],[6] avec lesuffixe « -on »[6]. Labase « photo- » est tirée dugrec ancienφῶς, φωτός (phôs, phōtós) qui signifie « lumière »[7],[8]. Le suffixe « -on » est, quant à lui, tiré de lafinale de « électron »[9]. « Photon » désigne les particules porteuses de la lumière et de l'énergie associée. Comme on le retrouve dans l'article d'Albert Einstein de[10], l'échange d'énergie quantifié entre la lumière et la matière a originellement été désigné par « quantum d'énergie » (Energiequantum) ou « quantum lumineux » (Lichtquant). On trouve une première trace du terme "photon" en dans une proposition du psychologue et psychophysiologiste américainLeonard T. Troland (-)[11] pour désigner l'unité ultérieurement nommée letroland[12] ou le luxon[13]. Le terme fut ensuite repris dans le cadre d'études sur la physiologie de la perception visuelle : John Joly (-) a ainsi utilisé le nom dephoton en[14], pour désigner l'énergie correspondant à un stimulus élémentaire allant de larétine au cerveau. Dans ses publications le bio-chimiste René Wurmser (-) a aussi utilisé le terme[15],[16]. Il a été repris une fois par Frithiof (Fred) Wolfers (-) dans une note présentée à l'Académie des sciences parAimé Cotton le 26 juillet 1926[17] dans son étude des bords frangés de l'ombre d'un objet opaque éclairé. Il a également été mis en avant par le chimisteGilbert N. Lewis (-) dans une lettre àNature publiée le 18 décembre 1926[18]. C'est à cette époque que le terme "photon", fut largement adopté par la communauté scientifique.
En physique des particules et des hautes énergies, un photon est usuellement représenté par le symbole (lettre grecquegamma), en lien avec lesrayons gamma découverts en 1900 parPaul Villard[19],[20]. En 1914,Rutherford et Edward Andrade[21] démontraient que ces rayons gamma étaient bien du rayonnement électromagnétique, comme la lumière.
Développement de la notion de « quanta de lumière »
Lathéorie ondulatoire de Maxwell ne rend cependant pas compte detoutes 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 quel’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 duXIXe et au début duXXe siècle sur le rayonnement ducorps noir[29] sont reproduits théoriquement parMax Planck en 1900 en supposant que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence ne peut recevoir ou émettre de l’énergie électromagnétique que parpaquets de valeur bien déterminée égale à – ces paquets étant appelés desquanta[30],[31].
Puisque leséquations de Maxwell autorisent n’importe quelle valeur de l’énergie électromagnétique, la plupart des physiciens pensaient initialement que cette quantification de l’énergie échangée était due à des contraintes encore inconnues surla matière qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein fut le premier à proposer que la quantification de l’énergie soit une propriété dela lumière elle-même[4]. Bien qu’il ne remette pas en cause la validité de la théorie de Maxwell, Einstein montre que laloi 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[4]. 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 parRobert Andrews Millikan en 1916, ce qui lui vaudra – parallèlement à ses expériences sur les gouttes chargées – le prix Nobel de 1923[32]. L’impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement parArthur Compton[33], ce qui lui valut le prix Nobel de 1927.
« Il ne faut pas trop lui tenir rigueur de ce que, dans ses spéculations, il ait occasionnellement pu dépasser sa cible, comme 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 semi-classique, 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[35]. 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 semi-classique[35]).
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[32]. Dans une dernière tentative de sauver la variation continue de l’énergie électromagnétique et de la rendre compatible avec les expériences, Bohr,Kramers etSlater développent un modèle basé sur deux hypothèses drastiques[36] :
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 ;
Lacausalité 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 »[37]. Sur le front théorique, l’électrodynamique quantique inventée parP.A.M. Dirac parvient à donner une théorie complète du rayonnement – et des électrons – expliquant ladualité onde-corpuscule. Depuis cette époque, et notamment grâce à l’invention dulaser, les expériences confirment de manière de plus en plus directe l’existence du photon et l’échec des théories semi classiques[38]. 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[39],[40], de sorte que la prédiction d’Einstein est considérée commeprouvée.
Dans un article datant de 1994,Willis Eugene Lamb affirme que le photonen tant queparticule élémentaire n'existe pas, mais il ne remet pas en cause le photon comme quanta d'énergie. Le photon ne serait qu'une excitation élémentaire du champ électromagnétique quantique, sans pour autant pouvoir conclure que le photon soit une particule. Il ne faudrait plus l'imaginer comme une petite boule qui déplace et transmet l'énergie sous forme de particule[41].
Le photon n’a pas decharge électrique[49], plus précisément les expériences sont compatibles avec une charge électrique inférieure à 1 × 10−35e[2] (anciennes estimations maximales : 5 × 10−30 e[50]). Un photon a deux états depolarisation possibles et est décrit par trois paramètres continus : les composantes de sonvecteur d’onde, qui déterminent sa longueur d’onde λ et sa direction de propagation. Les photons sont émis à partir de plusieurs processus, par exemplelorsqu’une charge est accélérée, quand unatome ou unnoyau saute d’unniveau 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.
Un flux de photon est capable de modifier la vitesse d'objets matériels (accélération de particules, atomes, molécules,...). La conservation de la quantité de mouvement implique alors qu'un photon possède uneimpulsion non nulle.
Le photon est cependant sansmasse. Les expériences sont compatibles avec une masse inférieure à 10−54kg[1], soit 5 × 10−19 eV/c2 (des estimations antérieures plaçaient la limite supérieure à 6 × 10−17 eV/c2[50],[51] et 1 × 10−18 eV/c2[2]) ; on admet généralement que le photon a une masse nulle.
La définition classique de la quantité de mouvement (produit de la masse par la vitesse) peut sembler amener ainsi à une contradiction. L'explication est que, dans le cadre relativiste, ce qui est conservé n'est plus à proprement parler séparément l'énergie et la quantité de mouvement, mais un objet plus abstrait les combinant, lequadri-moment. Enrelativité restreinte, on démontre ainsi que la relation entre l'énergie, l'impulsion et la masse d'une particule s'écrit : (oùc est lavitesse de la lumière dans le vide). Ainsi pour un photon de masse nulle (et donc de vitesse dans tous les référentiels), on a la relation simple :E = c•p (d'ailleurs valide pour toute particule sans masse) ; l'impulsionp ainsi définie (et valant, où est laconstante de Planck et lafréquence du rayonnement électromagnétique) se comporte comme la quantité de mouvement classique, par exemple dans le calcul de lapression de rayonnement. On trouvera une analyse plus détaillée de ce calcul (et de ses conséquences sur la variation de la longueur d'onde du photon lors d'unecollision inélastique) à l'articlediffusion Compton.
Le photon possède également unspin qui est indépendant de sa fréquence, et qui est égal à 1, ce qui autorisea priori trois valeurs pour sa projection : -1, 0 et 1. La valeur 0 est cependant interdite par lathéorie quantique des champs, du fait de la masse nulle du photon. L’amplitude du spin est et la composante mesurée dans la direction de propagation, appeléehélicité, doit être. Les deux hélicités possibles correspondent aux deux états possibles depolarisation circulaire du photon (horaire et anti-horaire). Comme en électromagnétisme classique, une polarisation linéaire correspond à une superposition de deux états d’hélicité opposée.
Le photon est théoriquement stable, avec une limite inférieure de sa durée de vie, déterminée à partir de la limite supérieure de sa masse, de 1018 ans[1].
La lumière monochromatique defréquence est constituée de photons d’énergieE dépendant uniquement de :
,
et de quantité de mouvement (ouimpulsion)p :
,
où (constante de Dirac ou constante de Planck réduite), est levecteur d’onde du photon, d’amplitude et dirigé selon la direction de propagation du photon, et est safréquence angulaire. Comme pour les autres particules, un photon peut se trouver dans un état dont l’énergie n’est pas bien définie, comme 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 unetransformation de Fourier).
Les formules classiques de l’énergie et de la quantité de mouvement des radiations électromagnétiques peuvent être ré-exprimées en termes 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 nouvellesquasiparticules ; ainsi, dans undiélectrique, une onde depolarisation coexiste avec l'onde électromagnétique pour donner une onde couplée dont larelation de dispersion est différente ; lorsque cette onde estquantifiée, on obtient des particules qui ne sont pas des photons, mais despolaritons, issus du couplage entre les photons et le champ de polarisation quantifié de 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[réf. souhaitée].
La thermodynamique permet de caractériser un système constitué de photons, une collection de bosons dont on sait donner les propriétés. C'est legaz de photons.
La première image que l’on a du photon est la « bille de lumière », la lumière serait composée de grains qui voyageraient à299 792 458m/s (Vitesse de la lumière).
Dans ce modèle, un flux d’énergie lumineuse donné est décomposé en billes dont l’énergie dépend de lalongueur d’onde λ et vauth.c/λ. Ainsi, pour une lumière monochromatique (c’est-à-dire dont lespectre se résume à une seule longueur d’onde), le flux d’énergie est composé en beaucoup de billes « molles » si la longueur d’onde est grande (du côté du rouge), ou de peu de billes « dures » si la longueur d’onde est petite (du côté du bleu) — les qualificatifs « molles » et « dures » sont relatifs à la quantité d’énergie électromagnétique qu’elles comportent.
Si la lumière est composée de plusieurs longueurs d’onde, alors le flux d’énergie se compose de billes de « duretés » diverses.
Cette vision, simpliste selon les normes actuelles, ne permet pas d’expliquer correctement toutes les propriétés de la lumière.
Exemple de paquet d’onde, représentant une onde monochromatique de longueur d’onde λ inscrite dans une enveloppe de largeur finie.
Le photon est un concept pour expliquer les interactions entre les rayonnements électromagnétiques et la matière. Comme pour les autresparticules élémentaires, il a unedualité 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 se représenter intuitivement le photon dans le cadre de cette dualité comme une concentration ponctuelle 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, pas plus qu'on ne peut parler de « localisation » ni de « trajectoire » d'une onde.
On ne peut en fait voir le photon que comme une particule quantique, c’est-à-dire un objet mathématique défini par safonction d’onde qui donne la probabilité de présence. Elle présentera généralement la forme d'unpaquet d'onde. Cette fonction d'onde et l’onde électromagnétique classique entretiennent des rapports étroits mais ne se confondent pas.
Ainsi, l’onde électromagnétique, c’est-à-dire la valeur duchamp électrique et duchamp magnétique en fonction de l’endroit et du moment ( et), 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 exempleantenne réceptrice, unélectroscope ou unesonde de Hall) ;Onde électromagnétique : oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique, modèle du dipôle vibrant. Le vecteur indique la direction de propagation de l'onde.
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 énergiehν déterminée).
↑Un photon dans le vide se déplace à la « vitesse de la lumière dans le vide », ce qui implique d'après lathéorie de la relativité que, dans son « référentiel », toutes les durées sont nulles (ce qui empêche d'ailleurs de définir réellement un référentiel attaché à un photon).
↑La matière est constituée defermions, comme, entre autres, lesquarks dont sont faits lesnoyaux atomiques, et les électrons qui leur sont liés.
↑(en)RobertHooke,Micrographia : or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon,(lire en ligne).
↑(en)James ClerkMaxwell, « A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field »,Philosophical Transactions of the Royal Society of London,vol. 155,,p. 459-512(lire en ligne[PDF]) Cet article suit une présentation par Maxwell à la Royal Society le 8 décembre 1864.
↑(de)HHertz, « Über Strahlen elektrischer Kraft »,Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin),vol. 1888,,p. 1297–1307
↑APais,Subtle is the Lord : The Science and the Life of Albert Einstein,Oxford University Press,.
↑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. D9:853). 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 Thornet al.,Am. J. Phys.72:1210 (2004).
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