Menu

Panneaux photovoltaïques énergie solaire

Installation solaire thermique

Centrale solaire
thermoélectriques

Qu'est-ce qu'un photon ?

Un photon est le quantum d'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique, émis ou absorbé par la matière.

Qu'est-ce qu'un photon ?

Le photon est un type de particule élémentaire. Selon les principes de la physique quantique, il s'agit du quantum du champ électromagnétique. C'est la particule porteuse de toutes les formes de rayonnement électromagnétique, notamment:

  • Rayons gamma.
  • Rayons X.
  • Lumière ultraviolette.
  • Lumière visible.
  • Lumière infrarouge.
  • Micro-ondes.
  • Les ondes radio.

Les photons ont une masse au repos nulle. Ils se déplacent toujours à la vitesse de la lumière dans le vide.

Le photon a un spin égal à 1, et est donc un boson; Comme sa masse au repos est nulle, l'hélicité du photon ne peut être que 1 ou -1, mais pas 0.

Le photon est représenté par le symbole γ.

Le photon est-il une onde ou une particule?

Comme toutes les particules élémentaires, les photons s'expliquent par la mécanique quantique. Cependant, ils présentent une dualité onde-particule, présentant simultanément des propriétés d'onde et de particule.

Elle se comporte comme une onde dans des phénomènes tels que la réfraction qui se produit dans une lentille, ou dans l'annulation par interférence destructrice des ondes réfléchies; cependant, il se comporte comme une particule lorsqu'il interagit avec la matière pour transférer une quantité fixe d'énergie. Cette énergie est inversement proportionnelle à la longueur d'onde.

Par exemple, une lentille peut réfracter un seul photon et, ce faisant, interférer avec elle-même comme une onde. Ou il peut agir comme une particule qui a une position définie et une quantité mesurable de mouvement.

Observation

Les propriétés d'onde et quantiques du photon sont deux aspects observables du même phénomène.

Sa nature ne peut être décrite en termes de modèle mécanique. Par conséquent, la représentation de cette double propriété de la lumière, qui suppose que l'énergie est concentrée en certains points du front d'onde, est également impossible.

Les quanta d'une onde lumineuse ne peuvent pas être localisés dans l'espace; certains paramètres physiques définis du photon sont notés.

Le photon en physique des particules

Dans le modèle standard de la physique des particules, les photons et autres particules élémentaires sont décrits comme une conséquence nécessaire du fait que les lois de la physique ont une certaine symétrie dans l'espace-temps. Les propriétés intrinsèques des particules, telles que la charge électrique, la masse et le spin, sont déterminées par les propriétés de cette symétrie de jauge.

Le concept des photons a conduit à des avancées considérables en physique théorique et expérimentale. Par exemple:

  • Lasers
  • Le condensat de Bose-Einstein
  • Théorie quantique des champs
  • L'interprétation probabiliste de la mécanique quantique.

Il a été appliqué en photochimie, en microscopie haute résolution et dans la mesure des distances moléculaires. Récemment, les photons ont été étudiés comme élément des ordinateurs quantiques et pour leurs applications en imagerie optique et en communication optique comme la cryptographie quantique.

Propriétés d'un proton

Un photon n'a pas de masse, n'a pas de charge électrique et est une particule stable.

Dans le vide, un photon a deux états de polarisation possibles. Le photon est le boson de jauge pour l'électromagnétisme. Par conséquent, tous les autres nombres quantiques dans le photon (tels que le nombre de leptons, le nombre de baryons et les nombres quantiques de saveur) sont nuls. De plus, le photon n'obéit pas au principe d'exclusion de Pauli, mais obéit plutôt aux statistiques de Bose-Einstein.

Les photons sont émis dans de nombreux processus naturels. Par exemple:

  • Lorsqu'une charge accélère, elle émet un rayonnement synchrotron.
  • Au cours d'une transition moléculaire, atomique ou nucléaire à un niveau d'énergie inférieur, des photons de différentes énergies seront émis, allant des ondes radio aux rayons gamma.
  • Lorsqu'une particule et son antiparticule correspondante sont annihilées (par exemple, annihilation électron-positon).
    La compositionParticule élémentaire
    Les interactionsÉlectromagnétique, faible, gravité
    Symbolec
    ThéoriséAlbert Einstein (1905)
    Le nom "photon" est généralement attribué à Gilbert N. Lewis (1926)
    Masse0
    <1 × 10  −18   eV / c  2
    Durée de vie moyenneStable
    Charge électrique0 <1 × 10  −35   e 
    Spin1
    La parité-1
    Parité C-1

    À quoi servent les photons?

    Les photons ont de nombreuses applications technologiques. Par exemple le laser.

    Le laser est une application extrêmement importante.

    Les photons individuels peuvent être détectés par différentes méthodes. Le tube photomultiplicateur classique exploite l'effet photoélectrique: un photon d'énergie suffisante frappe une plaque métallique et libère un électron, déclenchant un flot d'électrons toujours plus important.

    chips

    Les puces de dispositif à couplage de charge semi-conducteur utilisent un effet similaire: un photon incident génère une charge dans un condensateur microscopique qui peut être détectée. D'autres détecteurs, tels que les compteurs Geiger, utilisent la capacité des photons à ioniser les molécules de gaz contenues dans l'appareil, provoquant un changement détectable de la conductivité du gaz.

    Génie et chimie

    Les ingénieurs et les chimistes l'utilisent souvent dans la conception. Ils sont utilisés à la fois pour calculer le changement d'énergie résultant de l'absorption de photons et pour déterminer la fréquence de la lumière émise par une émission de photons donnée.

    Par exemple, le spectre d'émission d'une lampe à décharge peut être modifié en la remplissant de (mélanges de) gaz avec différents réglages de niveau d'énergie électronique.

    Dans certaines conditions, une "transition énergétique" peut être excitée par "deux" photons qui individuellement seraient insuffisants. Cela permet une microscopie à plus haute résolution, car l'échantillon n'absorbe de l'énergie que dans le spectre où deux faisceaux de couleurs différentes se chevauchent de manière significative, ce qui peut être rendu beaucoup plus petit que le volume d'excitation d'un seul faisceau (voir deux microscopies d'excitation. photons). De plus, ces photons causent moins de dommages à l'échantillon, car ils sont de moindre énergie.

    Biologie moléculaire

    Dans certains cas, deux transitions d'énergie peuvent être couplées de sorte que lorsqu'un système absorbe un photon, un autre système voisin "vole" son énergie et réémet un photon d'une fréquence différente. C'est la base du transfert d'énergie par résonance de fluorescence, une technique utilisée en biologie moléculaire pour étudier l'interaction de protéines appropriées.

    Génération de nombres aléatoires

    Plusieurs types différents de générateurs de nombres aléatoires matériels impliquent la détection de photons individuels.

    Dans un exemple, pour chaque bit de la séquence aléatoire à produire, un photon est envoyé à un séparateur de faisceau. Dans une telle situation, il y a deux résultats possibles de probabilité égale. Le résultat réel est utilisé pour déterminer si le bit suivant de la séquence est "0" ou "1".

    Quand le concept de photon est-il apparu pour la première fois?

    Dans la plupart des théories jusqu'aux 17e et 18e siècles, la lumière était considérée comme constituée de particules. Le fait que les modèles de particules ne puissent expliquer des phénomènes tels que la diffraction, la réfraction ou la biréfringence de la lumière, a conduit René Descartes, Robert Hooke et Christian Huygens à proposer des théories des ondes pour la lumière. Cependant, les modèles de particules sont restés en vigueur, principalement en raison de l'influence d'Isaac Newton.

    Albert Einstein

    Le concept moderne du photon a été progressivement développé par Albert Einstein au début du 20e siècle. Ce concept a été utilisé pour expliquer des observations expérimentales qui n'étaient pas en accord avec le modèle classique de la lumière en tant qu'onde électromagnétique.

    Le modèle photonique était au carré du fait que l'énergie de la lumière dépendait de sa fréquence. Il a expliqué la capacité de la matière et du rayonnement électromagnétique à être en équilibre thermique. En outre, le modèle photonique a également expliqué certaines observations anormales telles que le rayonnement du corps noir que d'autres physiciens avaient tenté d'expliquer en utilisant des modèles semi-classiques. Par exemple, Max Planck.

    Modèle Planck

    Dans le modèle de Planck, la lumière était décrite par les équations de Maxwell, mais les objets matériels qui émettaient et absorbaient la lumière le faisaient dans des paquets d'énergie discrets. Bien que ces modèles semi-classiques aient contribué au développement de la mécanique quantique, plusieurs expériences ultérieures valident l'hypothèse d'Einstein selon laquelle la lumière elle-même est quantifiée. À commencer par l'effet Compton.

    Acceptation du terme

    En 1926, le physicien optique Frithiof Wolfers et le chimiste Gilbert N. Lewis ont inventé le terme "photon" pour ces particules.

    Après qu'Arthur H. Compton a remporté le prix Nobel en 1927 pour ses études de diffusion, la plupart des scientifiques ont accepté que les quanta de lumière aient une existence indépendante et le nom de photon a été accepté par ces quanta.

    Comment les photons sont-ils liés à l'énergie solaire photovoltaïque?

    L'énergie solaire photovoltaïque consiste à convertir le rayonnement solaire en électricité. Le rayonnement solaire se déplace du soleil vers la terre à travers les photons.

    Certains des photons ont frappé la première surface du panneau solaire. Ils y pénètrent. Les matériaux semi-conducteurs des plaques photovoltaïques les absorbent.

    Les photons frappent les électrons présents dans les atomes des semi-conducteurs. De cette façon, les électrons sont libérés de leurs atomes. Les électrons libres peuvent traverser un conducteur et générer un courant électrique. C'est l' électricité.

      Auteur :

      Date de publication : 13 mai 2015
      Dernier examen : 1 mai 2020