PARTICULES ÉLÉMENTAIRES Bosons
Photon
Le photon est la particule qui décrit les excitations élémentaires du champ électromagnétique quantifié. En théorie quantique, le champ présente, en effet, un double caractère : ondulatoire et corpusculaire. L'aspect ondulatoire se manifeste par la possibilité d'observer des interférences avec des ondes électromagnétiques. L'aspect corpusculaire est révélé par le fait que l'énergie et l'impulsion d'un mode du champ électromagnétique varient de manière discontinue. On appelle mode une composante du champ, de fréquence ν et de vecteur d'onde k bien définis. L'énergie dans le mode étant égale à nhν, où n est un nombre entier et h la constante de Planck, tout se passe comme si le mode contenait n particules, appelées photons, ayant chacune l'énergie hν. Les échanges d'énergie entre la matière et le champ électromagnétique consistent en des absorptions, des émissions ou des diffusions de photons d'un mode à un autre. C'est d'ailleurs en analysant les propriétés de l'effet photoélectrique qu'Einstein a introduit la notion de photon en 1905. Il faut noter que le nombre de photons n'est généralement pas conservé dans ces processus d'interaction.
Le champ électromagnétique quantifié
La notion de photon résulte de la quantification du rayonnement. En théorie quantique, l'état du champ électromagnétique peut être décrit par la donnée de plusieurs nombres entiers positifs ou nuls n 1, n 2, ..., n j , ... caractérisant l'excitation des divers modes du champ électromagnétique. Par rapport à son état d'énergie minimale (appelé le vide) correspondant à tous les n j nuls, cet état du champ a une énergie (n 1 hν1 + n 2 hν2 + ... + n i hν i + ...) et une impulsion (n 1 ℏ k 1 + ... + n i ℏ k i + ...) où ℏ = h/2π. Le vecteur d'onde k j et la fréquence ν j , relatifs à un mode du champ électromagnétique, sont reliés entre eux par l'égalité ν j = c| k j |/2π où c est la vitesse de la lumière. Il est donc possible de considérer qu'un tel état du champ décrit un ensemble de n 1 particules, ou photons, d'énergie hν1 et d'impulsion ℏ k 1, ..., n i photons, d'énergie hν i et d'impulsion ℏ k i , etc.
La donnée du nombre de photons n i dans chaque mode définit un état du rayonnement. L'état le plus général est construit en superposant linéairement des états à nombres de photons différents. Pour rendre compte de la propagation d'un paquet d'ondes, il faut par exemple utiliser des superpositions linéaires d'états contenant des photons dans des modes différents. Ainsi, le champ émis lors de la désexcitation radiative d'un atome ne comporte-t-il qu'un seul photon réparti sur plusieurs modes du champ.
L'interaction photon-particule
Effet photo-électrique
Encyclopædia Universalis France
Effet photo-électrique
Schéma de principe de l'effet photoélectrique. L'atome est porté du niveau fondamental a vers un…
Encyclopædia Universalis France
En théorie quantique, l'interaction de la matière avec le champ électromagnétique est décrite en termes d'absorptions, d'émissions ou de diffusions de photons. Ainsi l'effet photoélectrique, qui correspond à l'ionisation d'un atome sous l'action d'un champ électromagnétique de fréquence ν, est-il le résultat de l'absorption d'un photon d'énergie hν par l'atome qui est porté de son niveau fondamental a à un niveau situé au-dessus du seuil d'ionisation (fig. 1). Le photon disparaît au cours d'un tel processus. Si l'énergie d'ionisation de l'atome est EI, la conservation de l'énergie totale implique que l'électron émis ait une énergie cinétique égale à (hν — EI). C'est la relation établie par Einstein pour l'effet photoélectrique.
De manière générale, dans un processus d'interaction entre matière et rayonnement,[...]
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Écrit par
- Claude COHEN-TANNOUDJI : professeur honoraire au Collège de France
- Jacques DUPONT-ROC : directeur de recherche au C.N.R.S., laboratoire de spectroscopie hertzienne, université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie
- Gilbert GRYNBERG : directeur de recherche au C.N.R.S., laboratoire de spectroscopie hertzienne, université de Paris-VI-Pierre-et Marie-Curie, maître de conférences à l'École polytechnique
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
Classification
Pour citer cet article
Claude COHEN-TANNOUDJI, Jacques DUPONT-ROC, Gilbert GRYNBERG, Bernard PIRE, « PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Bosons », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le . URL :
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Paquet d'ondes à un photon incident
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Voir aussi
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- IMPULSION, physique
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- SUPERSYMÉTRIE
- CHAMP ÉLECTROMAGNÉTIQUE
- CHAMPS THÉORIE QUANTIQUE DES
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- NIVEAU, physique atomique
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- INTERACTIONS FONDAMENTALES
- BRISURE DE SYMÉTRIE
- INTERACTION NUCLÉAIRE FAIBLE
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