Photons (quantification): définition, propriétés et dualité onde-particule

La lumière est sans doute l'un des sujets les plus étranges qu'un étudiant en physique rencontrera. La chose la plus rapide dans l'univers est en quelque sorte à la fois une particule et une onde - et présente les propriétés uniques des deux en même temps. Mais quoiestlumière?

Comprendre quoiphotonssont et quoiquantificationmoyen est fondamental pour comprendre la nature de la lumière, la physique quantique et une myriade de phénomènes connexes.

Les photons sont le nom formel des particules lumineuses. Ils peuvent être visibles par l'homme ou non, car ici le termelumièreest utilisé dans le sens de la physique, ce qui signifie qu'un photon est une particule de rayonnement électromagnétique à n'importe quelle fréquence du spectre, des ondes radio aux rayons gamma.

Les photons sont unquantifiéparticule. Cela signifie qu'ils n'existent que dans des quantités discrètes d'énergie, plutôt que n'importe quelle quantité d'énergie entre les deux. Lorsque l'on considère la description plus axée sur la chimie d'un photon comme l'énergie libérée lorsqu'un électron tombe à un niveau d'énergie inférieur dans l'atome, cela a du sens: les électrons ne peuvent être que dans des orbitales spécifiques, ou l'énergie les niveaux. Il n'y a pas de demi-pas. Donc, si un photon est le résultat d'un « électron en chute », un photon doit également provenir uniquement de quantités d'énergie spécifiques, ou quanta.

Albert Einstein a introduit la notion de quanta de lumière (photons) dans un article de 1905. L'un des quatre articles qu'il a publiés cette année-là qui ont révolutionné la science, c'est l'idée qui lui a valu le prix Nobel.

Comme mentionné précédemment, la lumière fait référence à tout type de rayonnement électromagnétique, dont les types se distinguent par leurs fréquences (ou longueurs d'onde) différentes. Ces deux mesures étant caractéristiques des ondes, il s'ensuit que la lumière doit être uneonde électromagnétique.​

Mais attendez - dans la section précédente de l'article, la lumière a été présentée comme unparticule, le photon, pas comme une onde. C'est correct. La nature étrange de la lumière est d'exister dans ce qu'on appelle la dualité onde-particule :C'est à la fois une onde et une particule.​

Par conséquent, « onde électromagnétique » et « photon » sont tous deux des descripteurs acceptables de la lumière. Habituellement, la première phrase est utilisée pour décrire la lumière lorsqu'elle estagissant comme une vagueet ce dernier terme lorsqu'il estagissant comme une particule​.

Cela devient important selon les phénomènes qu'un physicien examine. Dans certaines situations et dans certaines expériences, les photons agissent comme les physiciens s'attendent à ce que les particules agissent, par exemple, lors de l'observation de l'effet photoélectrique. Dans d'autres situations et expériences, la lumière agit davantage comme des ondes, comme lors de la modulation d'une station de radio.

Tout ce qui est limité à des valeurs discrètes plutôt qu'existant sur un spectre continu est en cours de quantification.

La quantification dans un atome explique que la quantité d'énergie qui peut être émise sous la forme d'un photon ne se produira qu'en multiples de la constante de Planck de l'unité élémentaire,h= 6,6262 x 10 ^-34 joule-secondes

Cette unité, découverte par Max Planck à la fin des années 1800, est l'une des unités les plus bizarres et les plus importantes de la physique. Il décrit la relation entre la fréquence d'une particule d'onde et son niveau d'énergie, et fixe ainsi une limite inférieure inférieure à la certitude avec laquelle nous pouvons comprendre la structure de la matière.

L'une des plus grandes ramifications de la connaissance de cette limite, qui a également aidé à commencer le domaine d'études étrange mais réel connu sous le nom de physique quantique, c'est qu'aux plus petits niveaux subatomiques, la position des particules n'est descriptible que comme un probabilité. En d'autres termes, seule la position d'une particule subatomiqueou alorsla vitesse peut être connue avec certitude à tout moment, maispas les deux​.

Définir les quantahconduire à une équation pour l'énergie d'un photon:

où l'énergieEest en joules (J), constante de Planckhest en joule-secondes (Js) et la fréquenceFest en hertz (Hz).

La plupart des gens pensent probablement que les particules sont de minuscules unités de matière, qui sont dimensionnées en fonction de leur masse. Cela fait de la forme particulaire de la lumière une bête particulièrement étrange puisque, en tant qu'unité d'énergie pure, un photon a une masse nulle.

Une autre propriété importante des photons est qu'ils voyagent toujours à la vitesse de la lumière, ~ 300 000 000 m/s dans le vide de l'espace vide. La lumière peut voyager plus lentement que cela - chaque fois qu'elle rencontre une autre matière, elle interagit avec elle et ralentit, de sorte que plus la matière à travers laquelle la lumière voyage est dense, plus elle va lentement. cependant,rien dans l'univers ne peut voyager plus vite que la lumière. Pas la fusée la plus rapide ni la particule atomique la plus accélérée.

• La vitesse de la lumière, ~300 000 000 m/s, est la vitesse la plus rapide que tout puisse voyager. C'est pourquoi on l'appelle aussi la vitesse limite de l'univers.

De cette façon, comprendre la lumière est essentiel pour comprendre les limites fondamentales de l'univers lui-même, de sa plus grande à sa plus petite.

Bien que la lumière voyage toujours en même tempsla vitessedans un milieu donné, en tant que forme de rayonnement électromagnétique, il peut avoir différentesfréquencesou alorslongueurs d'onde. Les fréquences et les longueurs d'onde de la lumière sous forme d'ondes électromagnétiques changent en sens inverse les unes par rapport aux autres le long d'un spectre.

À la longueur d'onde la plus longue et à la fréquence la plus basse se trouvent les ondes radio, après quoi viennent les micro-ondes, infrarouges, visibles la lumière, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma à haute énergie, chacun avec des longueurs d'onde progressivement plus courtes et plus élevées fréquences.

Les physiciens des années 1930 ont commencé à apprendre que toute la matière de l'univers est composée de quelques particules fondamentales, appelées particules élémentaires, qui sont toutes régies par le même ensemble de forces fondamentales. leModèle standardde la physique des particules est un ensemble d'équations tentant de décrire succinctement comment toutes ces particules élémentaires et les forces fondamentales sont liées. La lumière est un élément essentiel de cette description universelle.

En développement depuis les années 1970, le modèle standard a jusqu'à présent correctement prédit les résultats de nombreuses expériences de physique quantique, mais pas toutes. Un problème flagrant encore à résoudre dans le modèle est de savoir comment incorporer la gravité dans l'ensemble d'équations. De plus, il ne fournit pas de réponses à certaines grandes questions cosmologiques, notamment à savoir ce qu'est la matière noire ou où a disparu toute l'antimatière créée lors du Big Bang. Pourtant, elle est largement acceptée et considérée comme la meilleure théorie pour expliquer la nature fondamentale de notre existence à ce jour.

Dans le modèle standard, toute matière est constituée d'une classe de particules élémentaires appeléesfermions. Les fermions sont de deux types :quarksou alorsleptons. Chacune de ces catégories est divisée en six particules, liées par paires appeléesgénérations. La première génération est la plus stable, avec des particules plus lourdes et moins stables trouvées dans les deuxième et troisième générations.

Les autres composants du modèle standard sont les forces et les particules porteuses, appeléesbosons. Chacune des quatre forces fondamentales – gravité, électromagnétique, forte et faible – est associée à un boson qui véhicule la force dans les échanges avec les particules de matière.

Les physiciens des particules travaillant dans des accélérateurs ou surveillant les collisions de particules de haute énergie depuis l'espace ont identifié des bosons pour ces trois dernières forces.Le photon est le boson qui transporte la force électromagnétique dans l'univers, lesgluoncarie la force forte et leWetZles particules portent la force faible. Mais le boson théorique de la gravité, legraviton, reste insaisissable.

​Rayonnement du corps noir.Les corps noirs sont un type d'objet hypothétique (les parfaits n'existent pas dans la nature) qui absorbent tout le rayonnement électromagnétique qui les frappe. En substance, tout rayonnement électromagnétique frappant un corps noir sert à le chauffer et le rayonnement qu'il dégage en refroidissant est donc directement lié à sa température. Les physiciens peuvent utiliser cette approximation pour déduire les propriétés des corps noirs presque parfaits dans l'univers, tels que les étoiles et les trous noirs.

Alors que la nature ondulatoire de la lumière aide à décrire les fréquences de rayonnement du corps noir qu'un objet va absorber et émettre, son la nature des particules en tant que photon permet également de la décrire mathématiquement, puisque les énergies que le corps noir peut contenir sont quantifiées. Max Planck a été parmi les premiers à enquêter sur ce phénomène.

​L'expérience de la double fente.Un principe central de la physique quantique, l'expérience à double fente montre comment faire briller une lumière sur une barrière avec deux ouvertures étroites entraîne un motif distinctif d'ombres claires et sombres connu sous le nom demodèle d'interférence d'onde​.

La partie étrange de ceci est qu'un seul photon montré à travers l'ouverture se comportera toujours comme s'il interférait avec d'autres photons, bien qu'il soit seul et indivisible. C'est-à-dire que le motif lumineux observé dans l'expérience ne peut pas être expliqué en traitant la lumière uniquement comme un photon ou une onde; il faut considérer les deux. Cette expérience est souvent citée pour expliquer ce que l'on entend par l'idée de dualité onde-particule.

​L'effet Compton.L'effet Compton est un autre exemple observable de l'interaction entre la nature des ondes et des particules de la lumière. Il décrit comment l'énergie et la quantité de mouvement sont conservées lorsqu'un photon entre en collision avec un électron stationnaire. La combinaison de l'équation de la quantité d'énergie d'un photon avec les équations de conservation de la quantité de mouvement montre que le résultat longueur d'onde du photon sortant (l'électron initialement immobile) peut être prédite par la longueur d'onde du photon entrant qui a donné c'est de l'énergie.

​Spectroscopie.La technique de la spectroscopie permet aux physiciens, chimistes, astronomes et autres scientifiques d'étudier la composition matérielle d'un objet, y compris les étoiles lointaines, simplement en analysant les modèles qui résultent de la séparation de la lumière entrante de cet objet avec un prisme. Étant donné que différents éléments absorbent et émettent des photons en quanta discrets, les longueurs d'onde électromagnétiques observées tombent en segments discrets en fonction des éléments contenus dans les objets.

​Équivalence masse-énergie.De nombreux enfants peuvent réciter la célèbre équation d'EinsteinE = mc². Courte et douce, les véritables implications de cette équation sont profondes :Massemet l'énergieEsont équivalentset peuvent être convertis l'un à l'autre en utilisant la vitesse de la lumière dans le vide,c, au carré. Cela implique surtout qu'un objet qui ne bouge pas a encore de l'énergie; dans ce cas samasse au reposest dit égal à saénergie de repos​.

Les physiciens des particules utilisent l'équivalence masse-énergie pour déterminer des unités plus simples pour certaines de leurs mesures. Par exemple, les physiciens quantiques recherchent les masses de fermions ou de bosons en accélérant des particules subatomiques comme des protons et des électrons pour vitesses proches de la lumière dans des accélérateurs géants et les écraser ensemble, puis analyser les effets des "débris" dans des composants électriques très sensibles tableaux.

Au lieu de donner une masse en kilogrammes, cependant, la façon courante de rapporter les masses de particules est en giga-électron-volt, ou GeV, une unité d'énergie. Pour renvoyer cette valeur à une masse dans l'unité SI du kilogramme, ils peuvent utiliser cette relation simple: 1 GeV/c​² = 1.78266192×10⁻²⁷ k.