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| Classification | |
|---|---|
| Composition |
Élémentaire |
| Groupe | |
| Symbole |
ɣ |
| Masse | |
|---|---|
| Charge électrique | |
| Spin |
1 |
| Durée de vie |
| Prédiction |
Albert Einstein, 1905-1917 |
|---|---|
| Découverte |
Arthur Compton, 1923 |
Le photon est le quantum d'énergie associé aux ondes électromagnétiques (allant des ondes radio aux rayons gamma en passant par la lumière visible), qui présente certaines caractéristiques de particule élémentaire. En théorie quantique des champs, le photon est une excitation du champ électrodynamique quantique[3] et de ce fait la particule médiatrice de l’interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d’un point de vue quantique comme un échange de photons.
L'idée d'une quantification de l'énergie transportée par la lumière a été développée par Albert Einstein en 1905, à partir de l'étude du rayonnement du corps noir par Max Planck, pour expliquer l'effet photoélectrique qui ne pouvait pas être compris dans le cadre d’un modèle ondulatoire classique de la lumière, mais aussi par souci de cohérence théorique entre la physique statistique et la physique ondulatoire[4]. La découverte de l'effet Compton en 1923, donnant également des propriétés corpusculaires à la lumière, et l’avènement de la mécanique quantique et de la dualité onde-corpuscule amènent à considérer ce quantum comme une particule, nommée photon en 1926.
Le photon correspond à un « paquet » d’énergie élémentaire, ou quanta de rayonnement électromagnétique, qui est échangé lors de l’absorption ou de l’émission de lumière par la matière. De plus, l’énergie et la quantité de mouvement (pression de rayonnement) d’une onde électromagnétique monochromatique sont égales à un nombre entier de fois celles d’un photon.
Le concept de photon a donné lieu à des avancées importantes en physique expérimentale et théorique, telles que les lasers, les condensats de Bose-Einstein, l’optique quantique, la théorie quantique des champs et l’interprétation probabiliste de la mécanique quantique. Le photon est une particule de spin égal à 1, c’est donc un boson[note 2], et sa masse serait nulle ou en tout cas inférieure à environ 5×10-19 eV/.
L’énergie d’un photon de lumière visible est de l’ordre de 2 eV, ce qui est extrêmement faible : un photon seul est invisible pour l’œil d'un animal et les sources de rayonnement habituelles (antennes, lampes, laser, etc.) produisent de très grandes quantités de photons, ce qui explique que la nature « granulaire » de l’énergie lumineuse soit négligeable dans de nombreuses situations étudiées par la physique. Il est cependant possible de produire des photons un par un grâce aux processus suivants :
- Émission spontanée ou stimulée ;
- transition nucléaire ;
- annihilation de paires particule-antiparticule.
- « Étranges neutrinos », Pour la science, no 431, , p. 7
- (en) C. Amsler et al. (Particle Data Group), « Review of Particle Physics: Gauge and Higgs bosons », Physics Letters B, vol. 667, 2008 +2009 partial update, p. 1 (lire en ligne)
- « Théorie quantique des champs », sur feynman.phy.ulaval.ca
- Françoise Balibar, Einstein 1905, de l'éther aux quanta, éditions PUF, 1992 (ISBN 2-13-044298-6)
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