Photons

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  • Publié le : 31 mai 2011
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[modifier] Historique
[modifier] Origine du terme « photon »
Les photons ont originellement été appelés « quanta de lumière » (das Lichtquant) par Albert Einstein[3]. Le nom moderne « photon » est dérivé du mot grec qui signifie lumière, φῶς, φωτός (translittéré phos, photos), et a été choisi en 1926 par le chimiste Gilbert N. Lewis, dans la publication d’une théorie spéculative[9] danslaquelle les photons étaient « incréables et indestructibles ». Bien que la théorie de Lewis ne fut jamais acceptée, étant contredite par plusieurs expérimentations, son nouveau nom, photon, fut adopté immédiatement par la communauté scientifique.
En physique, un photon est représenté par le symbole , la lettre grecque gamma. L’utilisation de ce symbole pour le photon provient probablement des rayonsgamma, qui furent découverts et nommés en 1900 par Paul Ulrich Villard[10],[11]. En 1914, Rutherford et Edward Andrade[12] démontraient que ces rayons gamma étaient une forme de lumière. En chimie et en optique, les photons sont habituellement symbolisés par , l’énergie du photon, où est la constante de Planck et la lettre grec (nu) est la fréquence du photon. À l’occasion, le photon peut êtresymbolisé par hf, où sa fréquence est identifiée par f.
[modifier] Développement de la notion de « quanta de lumière »
La description de la lumière a suivi au cours de l’histoire un curieux mouvement de balancier entre une vision corpusculaire et une vision ondulatoire. Dans la plupart des théories jusqu’au XVIIIe siècle, on considère que la lumière est constituée de particules. Bien que des modèlesondulatoires soient proposés par René Descartes (1637)[13], Robert Hooke (1665)[14] et Christian Huygens (1678)[15], les modèles particulaires restent dominants, en partie en raison de l’influence d’Isaac Newton[16]. Un changement de paradigme a lieu à partir de la mise en évidence des phénomènes d’interférences et de diffraction de la lumière par Thomas Young et Augustin Fresnel au début duXIXe siècle, et en 1850 les modèles ondulatoires deviennent la règle[17] à la suite de l'expérience menée par Léon Foucault sur la vitesse de propagation de la lumière. La prédiction par Maxwell en 1865 du fait que la lumière soit une onde électromagnétique[18], suivie de la confirmation expérimentale de Hertz en 1888[19], semblent porter un coup de grâce aux théories corpusculaires de la lumière.
Lathéorie ondulatoire de Maxwell ne rend cependant pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l’énergie d’une onde lumineuse dépend seulement de l’amplitude de l’onde, mais pas de sa fréquence ; or de nombreuses expériences indiquent que l’énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l’amplitude. Par exemple, certainesréactions chimiques ne sont possibles qu’en présence d’une onde lumineuse de fréquence suffisante : en dessous d’une fréquence seuil, quelle que soit l’intensité incidente, la lumière ne peut amorcer la réaction. De manière similaire, dans l’effet photoélectrique, les électrons ne sont éjectés d’une plaque de métal qu’au-dessus d’une certaine fréquence, et l’énergie des électrons émis dépend de lafréquence de l’onde, et non de son amplitude. Dans le même ordre d’idée, les résultats obtenus à la fin du XIXe et au début du XXe siècle sur le rayonnement du corps noir[20] sont reproduits théoriquement par Max Planck en 1900 en supposant que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence ν ne peut recevoir ou émettre de l’énergie électromagnétique que par paquets de valeur biendéterminée égale à hν – ces paquets étant appelés des quanta[21],[22].
Puisque les équations de Maxwell autorisent n’importe quelle valeur de l’énergie électromagnétique, la plupart des physiciens pensaient initialement que cette quantification de l’énergie échangée était due à des contraintes encore inconnues sur la matière qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein fut le premier à...
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