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photon

(de électron)

Max Planck
Max Planck

Quanton spécifique de la lumière, véhicule des interactions électromagnétiques.

Introduction

Les phénomènes électromagnétiques, allant de l'électricité et du magnétisme aux rayons X, en passant par les ondes radio et la lumière, ont été rassemblés dans un cadre théorique unique par James Clerk Maxwell vers 1865. Depuis cette date, les équations de Maxwell ont joué un rôle central dans l'histoire de la physique, et notamment dans l'origine et les développements de deux théories « révolutionnaires » apparues au début du xxe s. : la relativité et la mécanique quantique.

Une découverte essentielle, ayant marqué les débuts de ces deux théories, est le concept de « grain » ou quantum d'énergie lumineuse, devenu plus tard le photon. Pressenti par Max Planck en 1900, introduit réellement par Albert Einstein en 1905, le concept de photon s'est immédiatement révélé très fructueux dans l'interprétation de certaines expériences. Cependant, la notion de « grain » d'énergie lumineuse semblait alors totalement contradictoire avec les équations de Maxwell. Ces équations, qui prévoient l'existence d'ondes lumineuses, formaient pourtant une des bases les plus solides de la physique de la fin du xixe s.

La résolution de ces contradictions devait venir de la toute jeune mécanique quantique, grâce à laquelle Paul Dirac put effectuer en 1927 une synthèse entre les propriétés à la fois « ondulatoires » et « corpusculaires » que semble posséder le photon. La théorie de Dirac, développée ensuite sous le nom d'électrodynamique quantique, est aujourd'hui fondamentale pour la physique des hautes énergies, dont un résultat spectaculaire a été la mise en évidence des bosons intermédiaires Z0, W+ et W au Cern en 1983. Par ailleurs, l'apparition du laser au début des années 1960 a conduit au développement rapide d'un nouveau champ de recherches, l'optique quantique, dans laquelle les propriétés quantiques de la lumière jouent un rôle essentiel. En particulier, il est maintenant possible d'observer directement les propriétés ondulatoires et corpusculaires d'un photon unique, matérialisant ainsi des concepts vieux de plus de cinquante ans.

Historique de la notion de photon

L'introduction du concept de photon ne s'est pas faite sans difficultés ; les étapes essentielles de ces débuts se situent entre 1900 et 1922.

Planck et le rayonnement du corps noir

Un matériau chauffé à une température suffisamment élevée émet de la lumière : il devient incandescent. Le spectre de la lumière émise, c'est-à-dire la répartition de l'énergie lumineuse en fonction de la fréquence (responsable de la couleur que nous voyons), devrait dépendre du matériau utilisé. Cependant, Gustav Kirchhoff montra en 1860, par un argument thermodynamique très général, que ce spectre dépend uniquement de la température – et non du matériau particulier – à condition que celui-ci soit parfaitement absorbant ; on parle alors de « corps noir ». Cette découverte déclencha un intense travail expérimental et théorique, afin, d'une part de réaliser concrètement un tel corps noir et de mesurer son spectre et, d'autre part, de calculer la loi inconnue ρ (ν, T) exprimant la quantité d'énergie rayonnée à la fréquence ν par un corps noir chauffé à la température T.

À la fin du xixe s., les méthodes de mesure de l'émissivité du corps noir avaient beaucoup progressé, mais les tentatives de calculs de ρ (ν, T) demeuraient infructueuses : deux lois différentes semblaient s'appliquer aux régions « basses fréquences » et « hautes fréquences » des spectres observés. Enfin, en 1900, Planck parvenait à la bonne formule par une démarche d'abord intuitive. En fait, le caractère révolutionnaire de cette découverte apparut réellement lorsque Planck parvint à justifier rigoureusement sa formule, en admettant que les échanges d'énergie entre la lumière et le matériau s'effectuaient par quanta, c'est-à-dire par « paquets » indivisibles. La valeur du quantum d'énergie, dépendant de la fréquence ν, est égale à hν, où h est une constante universelle, maintenant baptisée « constante de Planck ».

Rien, dans la physique de cette époque, ne pouvait justifier l'hypothèse de Planck : la loi d'émissivité du corps noir, immédiatement confirmée par l'expérience, ouvrait donc la voie à des théories entièrement nouvelles.

Einstein et l'effet photoélectrique

En 1905, le mystère des quanta de Planck restait entier ; on ignorait si la lumière, les atomes, ou seulement les échanges d'énergie devaient être quantifiés. C'est alors qu'Einstein proposa que la lumière elle-même soit formée de quanta (qui devaient être baptisés photons seulement en 1926) ; cette hypothèse permettait d'interpréter de façon simple l'effet photoélectrique.

Cet effet, connu depuis la fin du xixe s., consiste en l'émission d'électrons par une plaque métallique éclairée par un faisceau lumineux. Deux observations semblaient défier toute explication : tout d'abord, l'effet n'existe que pour des fréquences lumineuses ν supérieures à une certaine fréquence seuil νs ; ensuite, l'énergie cinétique des électrons émis dépend de la fréquence, c'est-à-dire de la couleur, et non de l'intensité de la lumière utilisée. L'interprétation fournie par Einstein fut alors la suivante : la lumière est formée de grains d'énergie hν et l'absorption d'un de ces grains provoque l'émission d'un électron par la plaque métallique. L'énergie cinétique Ec communiquée à l'électron est alors l'énergie hν, diminuée d'une quantité fixe Ws nécessaire pour arracher l'électron au matériau, ce qui se représente par l'équation :
Ec = hν − Ws

Cette équation très simple rend compte de tous les faits expérimentaux observés :
– l'énergie cinétique Ec d'un électron émis ne dépend pas de l'intensité de la lumière (c'est-à-dire du nombre de photons) mais de sa fréquence ; Ec augmente du côté « bleu » du spectre visible (hautes fréquences) ;
– pour que l'électron soit émis, l'énergie Ec doit être positive ; il existe donc un seuil à l'effet photoélectrique, c'est-à-dire une valeur minimum hνs = Ws en dessous de laquelle aucun électron n'est émis.

Le seuil dépend du métal utilisé ; les valeurs les plus basses de hνs sont obtenues pour les métaux alcalins.

Des expériences réalisées par Robert Millikan, en 1915, confirmèrent toutes ces prédictions.

L'énergie seuil fut mesurée pour plusieurs métaux, et la valeur de h obtenue par ces expériences se révéla être en très bon accord avec celle obtenue par Planck à partir de la loi d'émissivité du corps noir : on pouvait donc penser que le photon allait avoir gain de cause. En fait, rien n'était encore joué, puisque Millikan et, avec lui, de nombreux autres physiciens de renom rejetaient l'interprétation de l'effet photoélectrique donnée par Einstein. Ce conflit provenait de la contradiction apparente qui existe entre le concept de photon – particule de lumière – et les équations de Maxwell de l'électromagnétisme – qui impliquent l'existence d'ondes lumineuses.

Compton et la diffusion électron-photon

Cependant, une nouvelle expérience en faveur du photon « corpusculaire » devait emporter l'adhésion de la communauté des physiciens : il s'agit de l'étude par Arthur Compton de la « collision » d'un électron et d'un photon. Les équations de l'effet Compton décrivent le choc d'un électron et d'un photon comme un choc de particules matérielles, en assurant la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. Le résultat du calcul est que le photon est dévié, et sa fréquence légèrement changée. La valeur théorique de ce décalage de fréquence fut confirmée expérimentalement par Compton, ce qui imposa définitivement la nécessité du concept de photon.

En 1918, Planck reçut le prix Nobel pour la découverte du quantum d'action ; Einstein, en 1922, pour son interprétation de l'effet photoélectrique ; Compton, en 1927, pour la découverte de l'effet qui porte son nom. Peu de temps après, les progrès réalisés par la théorie quantique allaient permettre une description synthétique des propriétés à la fois « ondulatoires » et « corpusculaires » de la lumière.

Le photon, particule élémentaire

Fiche d’identité du photon

Le photon est une particule de masse nulle, de spin unité ; son énergie est E = hν, et sa quantité de mouvement est p = (h/2π) k où k est le vecteur d'onde associé à la particule.

Interactions photon-matière

Les interactions des photons avec des atomes ou d'autres particules peuvent s'accompagner de transfert d'énergie, d'impulsion ou de moment cinétique. Par exemple, des photons polarisés circulairement peuvent transférer leur moment cinétique à une vapeur atomique : c'est le principe du pompage optique, inventé par Alfred Kastler en 1950, utilisé notamment dans les lasers.

De même, la pression de radiation exercée par un faisceau lumineux sur des atomes peut être utilisée pour ralentir ou dévier un jet d'atomes. Ces phénomènes sont observés dans le domaine des basses énergies, c'est-à-dire pour des valeurs de hν très inférieures à l'énergie de masse mec2 d'un électron. Lorsque hν devient plus grand que 2 mec2 (domaine des rayons γ), l'électrodynamique quantique relativiste prédit la possibilité pour un photon de se transformer en une paire électron-positon (le positon, également appelé positron, étant l’antiparticule de l’électron) ; la réaction inverse (annihilation d'une paire) est possible également, et de telles réactions sont couramment observées dans les accélérateurs de particules.

Le photon dans le modèle standard

Dans les théories contemporaines, le photon est le médiateur de l'interaction électromagnétique, c'est-à-dire que cette interaction est décrite comme un échange de photons. À très haute énergie, Steven Weinberg, Abdus Salam et Sheldow Glashow ont montré que l'interaction électromagnétique s'unifie avec l'interaction faible, responsable de certaines réactions de désintégration. Les médiateurs de cette interaction électrofaible sont les bosons intermédiaires Z0, W+ et W.