Les photons sont des particules élémentaires qui servent de quantum à la lumière et à toutes les autres formes de rayonnement électromagnétique. Ils ont la particularité d'avoir une masse nulle, de ne pas porter de charge électrique et de se déplacer toujours à la vitesse de la lumière dans le vide. Les photons présentent à la fois des propriétés ondulatoires et particulaires, une double nature qui permet de les décrire à la fois comme des ondes d'énergie électromagnétique et comme des particules discrètes. Crédit : Issues.fr.com
Que sont les photons ?
Les photons sont les plus petites particules d'énergie électromagnétique et donc aussi les plus petites particules de lumière. Les photons peuvent voyager à la vitesse de la lumière car ils n'ont pas de masse (grâce à la relativité). Les photons n'ont pas non plus de charge.
Les photons représentent tout le spectre du rayonnement électromagnétique. Cela inclut les ondes radio, les rayons gamma et la lumière visible.
Les photons transportent de l'énergie électromagnétique. Cette énergie comprend la lumière visible que nous pouvons voir et de nombreux autres types d’énergie de basse et de haute énergie. Crédit : NASA
Photons : Dualité onde-particule
Comme beaucoup d’autres particules régies par la mécanique quantique, les photons possèdent à la fois les caractéristiques des ondes et des particules. Les photons se déplacent à la manière d'une onde, dans laquelle le champ électrique et magnétique local oscille en intensité, oscillant régulièrement entre des niveaux d'énergie élevés et faibles.
L'énergie des photons détermine le type de rayonnement électromagnétique qu'ils transmettent. Cela signifie que les photons de faible énergie transportent des ondes radio. Les ondes radio sont dites à grande longueur d'onde car les creux et les crêtes des ondes sont relativement éloignés. Les photons de haute énergie transportent des ondes gamma. Les ondes gamma sont dites à courte longueur d'onde car les creux et les crêtes de leurs ondes sont très proches.
Perspectives historiques sur la lumière
La découverte par les scientifiques que les photons sont à la fois des ondes et des particules a joué un rôle clé dans le développement de la mécanique quantique. Isaac Newton pensait que la lumière se déplaçait dans les particules en partie à cause de la façon dont elle rebondit sur les surfaces. Mais Christian Huygens a souligné que la lumière brillait à travers un petit trou étalé au lieu de rester un point. Cela signifiait que la lumière devait être une onde, la lumière se propageant d’une manière similaire à la façon dont l’eau ondule. Le modèle de vague de Huygens a bénéficié d'un soutien supplémentaire grâce aux expériences menées au XIXe siècle.
Mécanique quantique et photons
En 1900, Max Planck suggérait plutôt que les photons devaient être des particules en raison du comportement du rayonnement. Cela a permis à Einstein de suggérer en 1905 que la lumière est à la fois constituée de particules et d'ondes. Son explication est basée sur l'effet photoélectrique. C’est ainsi qu’une feuille de métal émet des électrons lorsqu’elle est frappée par la lumière. Einstein a démontré que l’intensité de la lumière projetée sur le métal est liée au nombre de photons présents dans la lumière. La fréquence (ou la couleur) de la lumière est liée à la quantité d'énergie de chaque photon porte.
Faits rapides
- Les photons peuvent être absorbés par la matière. Lorsque cela se produit, leur lumière se transforme en chaleur, réchauffant ainsi la matière. C’est ainsi que la lumière du soleil réchauffe les choses sur Terre.
- Albert Einstein a remporté le prix Nobel de physique en 1922 pour ses travaux sur les photons et le rayonnement électromagnétique.
Bureau des sciences du DOE : contributions à la recherche sur les particules subatomiques
Le Bureau de physique nucléaire du DOE au sein du Bureau des sciences soutient la recherche visant à comprendre toutes les formes de matière nucléaire et les particules subatomiques qui composent les noyaux atomiques. Cette recherche comprend la découverte de propriétés jusqu’alors inconnues des atomes et des particules subatomiques qui les composent dans leur état naturel. Ce travail a des applications importantes dans les domaines de la médecine, du commerce et de la défense nationale.
Un autre domaine d’étude consiste à comprendre précisément comment les noyaux sont structurés en fonction du nombre de protons et de neutrons qu’ils contiennent. D’autres recherches encore se concentrent sur le chauffage des noyaux à la température de l’univers primitif pour comprendre comment ils se sont condensés à partir de la soupe quark-gluon qui existait à l’époque.
Par ailleurs, le Bureau des sciences du DOE exploite une série de sources lumineuses qui utilisent la puissance des photons pour la recherche scientifique. Ces sources lumineuses sont des installations du Bureau des sciences ouvertes aux chercheurs de l'industrie, du monde universitaire et des laboratoires nationaux.
