Imaginez un rayon de soleil jaune rayonnant à travers une fenêtre. Selon la physique quantique, ce faisceau est constitué de zillions de minuscules paquets de lumière, appelés photons, circulant dans l’air. Mais qu’est-ce qu’un photon exactement?

les Photons sont les trucs lumière est faite. Crédit: JFC.

Définition

Un photon est la plus petite quantité discrète ou d’un quantum de rayonnement électromagnétique., C’est l’unité de base de toute lumière.

les Photons sont toujours en mouvement et, dans le vide, se déplacent à une vitesse constante pour tous les observateurs de 2,998 x 108 m/s. Ceci est communément appelé la vitesse de la lumière, désignée par la lettre c.

selon la théorie quantique de la lumière D’Einstein, les photons ont une énergie égale à leur fréquence Einstein a prouvé que la lumière est un flux de photons, l’énergie de ces photons est à la hauteur de leur fréquence d’oscillation, et l’intensité de la lumière correspond au nombre de photons., Essentiellement, il a expliqué comment un flux de photons peut agir à la fois comme une onde et une particule.

Photon propriétés

Les propriétés de base de photons sont:

  • Ils ont une masse nulle et de repos de l’énergie. Ils n’existent que comme des particules en mouvement.
  • Ce sont des particules élémentaires malgré le manque de masse de repos.
  • Ils n’ont pas de charge électrique.
  • Ils sont stables.
  • Ce sont des particules de spin-1 qui en font des bosons.
  • Ils transportent de l’énergie et de l’impulsion qui dépendent de la fréquence.,
  • Ils peuvent avoir des interactions avec d’autres particules telles que les électrons, tels que l’effet Compton.
  • ils peuvent être détruits ou créés par de nombreux processus naturels, par exemple lorsque le rayonnement est absorbé ou émis.
  • dans l’espace vide, ils voyagent à la vitesse de la lumière.

Histoire

la nature de La lumière — si vous le considérez comme une particule ou une onde a été l’un des plus grands débats scientifiques. Pendant des siècles, les philosophes et les scientifiques ont discuté de la question à peine résolue il y a un siècle.,

Les disciples d’une branche du sixième siècle avant JC de la philosophie hindoue appelée Vaisheshika avaient une intuition physique surprenante sur la lumière. Comme les anciens Grecs, ils croyaient que le monde était basé sur des « atomes » de terre, d’air, de feu et d’eau. On pensait que la lumière elle-même était faite d’atomes très rapides appelés tejas. C’est remarquablement similaire à notre théorie moderne de la lumière et de ses photons, un terme inventé des milliers d’années plus tard en 1926 par un chimiste nommé Gilbert Lewis et un physicien optique appelé Frithiof Wolfers.,

plus tard, vers 300 av. Euclide a également décrit les lois de la réflexion et, un siècle plus tard, Ptolémée a complété avec des écrits sur la réfraction. Ce n’est cependant qu’EN 1021 que les lois de la réfraction ont été formellement établies dans L’ouvrage fondateur Kitab al-Manazir, ou Livre D’optique, d’Ibn Al-Haytham.

La Renaissance inaugure une nouvelle ère de recherche scientifique sur la nature de la lumière., Il convient de noter les incursions de René Descartes dans un essai de 1637 intitulé la dioptrique, où il a soutenu que la lumière est faite d’impulsions qui se propagent instantanément lorsqu’elles entrent en contact avec des « boules » dans un milieu. Écrivant plus tard dans Traité de la lumière publié en 1690, Christiaan Huygens traitait la lumière comme des ondes compressibles dans un milieu élastique, tout comme les ondes de pression acoustique. Huygens a montré comment faire réfléchir, réfracter et filtrer les ondes de lumière et a également expliqué la double réfraction.

à cette époque, les scientifiques s’étaient divisés en deux camps retranchés., Un côté croyait que la lumière était une onde tandis que l’autre voyait la lumière comme des particules ou des corpuscules. Le grand champion des soi-disant « corpuscularistes » n’était autre Qu’Isaac Newton, largement considéré comme le plus grand scientifique de tous les temps. Newton n’aimait pas du tout la théorie des ondes, car cela signifierait que la lumière serait capable de s’éloigner trop loin dans l’ombre.

pendant une grande partie du 18ème siècle, la théorie corpusculaire a dominé le débat autour de la nature de la lumière., Mais alors, en mai 1801, Thomas Young a présenté au monde sa désormais célèbre expérience à deux fentes où il a démontré l’interférence des ondes lumineuses.

L’expérience de Young montre comment chaque fente agit comme une source d’ondes sphériques, qui « interfèrent” lorsqu’elles se déplacent de gauche à droite comme indiqué ci-dessus. Crédit: Université de Louisville Département de physique.

dans la première version de L’expérience, Young n’utilisait pas deux fentes, mais plutôt une seule carte mince., Le physicien a simplement recouvert une fenêtre d’un morceau de papier avec un minuscule trou qui servait à entonnoir un mince faisceau de lumière. Avec la carte dans sa main, Young a vu comment le faisceau s’est divisé en deux. La lumière passant d’un côté de la carte interférait avec la lumière de l’autre côté de la carte pour créer des franges, qui pourraient être observées sur le mur opposé. Plus tard, Young a utilisé ces données pour calculer les longueurs d’onde de diverses couleurs de lumière et s’est remarquablement rapproché des valeurs modernes. La démonstration fournirait une preuve solide que la lumière était une onde, pas une particule.,

pendant ce temps, cette fois en France, le mouvement corpusculariste prenait de l’ampleur après des développements récents attribuant la polarisation de la lumière à une sorte d’asymétrie entre les corpuscules de lumière. Ils ont subi une grande défaite de la part D’Augustin Fresnel qui, en 1821, a montré que la polarisation pouvait s’expliquer si la lumière était une onde transversale sans vibration longitudinale. Auparavant, Fresnel a également proposé une théorie précise de la diffraction des ondes.

à ce stade, il y avait peu de terrain stable pour que les disciples de Newton continuent le débat., Il semblait que la lumière est une vague et c’est tout. Le problème était que l’éther légendaire — le milieu mystérieux nécessaire pour supporter les champs électromagnétiques et produire les lois de propagation de Fresnel — manquait malgré tous les efforts de tous pour le trouver. Personne n’avait jamais, en fait.

Une énorme percée a eu lieu en 1861 lorsque James Clerk Maxwell a condensé les connaissances expérimentales et théoriques sur l’électricité et le magnétisme dans 20 équations. Maxwell a prédit une « onde électromagnétique », qui peut s’auto-maintenir, même dans le vide, en l’absence de courants conventionnels., Cela signifie qu’aucun éther n’est nécessaire pour que la lumière se propage! De plus, il a prédit que la vitesse de cette onde était de 310 740 000 m s−1 — ce n’est que quelques pour cent de la valeur exacte de la vitesse de la lumière.

« L’accord des résultats semble montrer que la lumière et le magnétisme sont des affections de la même substance, et la lumière est une perturbation électromagnétique propagée à travers le champ selon les lois électromagnétiques”, écrit Maxwell en 1865.,

à partir de ce jour, le concept de lumière a été Uni à ceux de l’électricité et du magnétisme pour la première fois.

Le 14 décembre 1900, Max Planck a démontré que le rayonnement thermique était émis et absorbé dans des paquets discrets de Quanta d’énergie. Plus tard, Albert Einstein a montré en 1905 que cela s’appliquait également à la lumière. Einstein a utilisé le terme Lichtquant, ou quantum de la lumière. Maintenant, à l’aube du 20ème siècle, une nouvelle révolution dans la physique reposerait une fois de plus sur la nature de la lumière. Cette fois, il ne s’agit pas de savoir si la lumière est un crépuscule ou une onde., C’est de savoir si c’est les deux ou pas.

théorie moderne de la lumière et des photons

Einstein croyait que la lumière est une particule (photon) et que le flux de photons est une onde. Le physicien allemand était convaincu que la lumière avait une nature particulaire suite à sa découverte de l’effet photoélectrique, dans lequel les électrons volent hors d’une surface métallique exposée à la lumière. Si la lumière était une onde, cela n’aurait pas pu arriver. Une autre question déroutante est la façon dont les photoélectrons se multiplient lorsqu’une forte lumière est appliquée., Einstein a expliqué l’effet photoélectrique en disant que  » la lumière elle-même est une particule”, pour laquelle il recevrait plus tard le prix Nobel de physique.

le point principal de la théorie quantique de la lumière D’Einstein est que l’énergie de la lumière est liée à sa fréquence d’oscillation. Il a soutenu que les photons ont une énergie égale à « la fréquence d’oscillation constante de Planck » ” et cette énergie de photon est la hauteur de la fréquence d’oscillation tandis que l’intensité de la lumière correspond au nombre de photons., Les diverses propriétés de la lumière, qui est un type d’onde électromagnétique, sont dues au comportement de particules extrêmement petites appelées photons qui sont invisibles à l’œil nu.

Einstein a émis l’hypothèse que lorsque les électrons de la matière entrent en collision avec des photons, le premier prend l’énergie de ce dernier et s’envole et que plus la fréquence d’oscillation des photons qui frappent est élevée, plus l’énergie électronique qui sortira s’envole. Certains d’entre vous ont une preuve de cette idée dans votre propre maison — c’est les panneaux solaires!, En bref, il a été dit que la lumière est un flux de photons, l’énergie de ces photons est à la hauteur de leur fréquence d’oscillation, et l’intensité de la lumière est liée au nombre de photons.

Einstein a pu prouver sa théorie en dérivant la constante de Planck de ses expériences sur l’effet photoélectrique. Ses calculs ont rendu la valeur constante de Planck de 6,6260755 x 10-34, ce qui est exactement ce que Max Planck a obtenu en 1900 grâce à ses recherches sur les ondes électromagnétiques., Sans équivoque, cela indiquait une relation intime entre les propriétés et la fréquence d’oscillation de la lumière en tant qu’onde et les propriétés et l’élan de la lumière en tant que particule. Plus tard, au cours des années 1920, le physicien autrichien Erwin Schrödinger a développé ces idées avec son équation pour la fonction d’onde quantique pour décrire à quoi ressemble une onde.

plus de Cent ans après Qu’Einstein a montré la double nature de la lumière, les physiciens Suisses de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne ont capturé le tout premier instantané de ce double comportement., L’équipe dirigée par Fabrizio Carbone a réalisé une expérience intelligente en 2015 dans laquelle un laser a été utilisé pour tirer sur un nanofil, faisant vibrer les électrons. La lumière se déplace le long de ce minuscule fil dans deux directions possibles, comme les voitures sur une autoroute. Lorsque les vagues voyageant dans des directions opposées se rencontrent, elles forment une nouvelle vague qui semble se tenir en place. Ici, cette onde stationnaire devient la source de lumière pour l’expérience, rayonnant autour du nanofil. Le a tiré un nouveau faisceau d’électrons pour imager l’onde stationnaire de la lumière, qui agit comme une empreinte digitale de la nature ondulatoire de la lumière., Le résultat peut être vu ci-dessous.

la toute première photographie de la lumière en tant que particule et onde. Crédit: de l’EPFL.

à quoi ressemble un photon

Vous êtes-vous déjà demandé quelle forme a un photon? Les scientifiques réfléchissent à cette question depuis des décennies et, finalement, en 2016, des physiciens polonais ont créé le tout premier hologramme d’une seule particule de lumière. L’équipe de L’Université de Varsovie a réalisé l’hologramme en tirant simultanément deux faisceaux lumineux sur un séparateur de faisceaux en cristal de calcite., Le séparateur de faisceaux s’apparente à une intersection de feux de circulation, de sorte que chaque photon peut passer directement ou faire un virage. Lorsqu’un photon est seul, chaque chemin est également probable, mais lorsque plus de photons sont impliqués, ils interagissent et les chances changent. Si vous connaissez la fonction d’onde de l’un des photons, il est possible de déterminer la forme du second à partir des positions des flashs apparaissant sur un détecteur. L’image résultante ressemble un peu à une croix de Malte, tout comme la fonction d’onde prédite à partir de L’équation de Schrödinger.,

hologramme d’un seul photon reconstruit à partir de mesures brutes vues dans le côté gauche par rapport à la forme de photon théoriquement prévue sur le côté droit. Crédit: FUW

faits sur les photons

  • non seulement la lumière est composée de photons, mais toute l’énergie électromagnétique (c’est-à-dire les micro-ondes, les ondes radio, les rayons X) est composée de photons.
  • Le concept original du photon a été développé par Albert Einstein. Cependant, C’est le scientifique Gilbert N. Lewis qui a d’abord utilisé le mot « photon” pour le décrire.,
  • La théorie selon laquelle la lumière se comporte à la fois comme une onde et comme une particule est appelée théorie de la dualité onde-particule.
  • les Photons sont toujours électriquement neutre. Ils n’ont pas de charge électrique.
  • les Photons ne se désintègrent pas d’eux-mêmes.