Photon

Un photon est une particule de lumière qui est essentiellement un paquet de rayonnement électromagnétique. L'énergie du photon dépend de sa fréquence (la célérité avec laquelle le champ électrique et le champ magnétique s'agitent). Plus la fréquence est élevée, plus l'énergie du photon est considérable. Bien entendu, un faisceau de lumière contient de nombreux photons. Cela signifie qu'une lumière rouge très intense (beaucoup de photons, avec une énergie légèrement inférieure) peut transporter plus de puissance dans une zone donnée qu'une lumière bleue moins intense (moins de photons avec une énergie supérieure).

La vitesse de la lumière (c) dans un vide est constante. Cela signifie que les photons les plus énergétiques (haute fréquence), comme les rayons X et les rayons gammas, voyagent exactement à la même vitesse que les photons moins énergétiques (basse fréquence), comme ceux de l'infrarouge. Lorsque la fréquence d'un photon augmente, la longueur d'onde ([math]\displaystyle{ \lambda }[/math]) diminue, et lorsque la fréquence diminue, la longueur d'onde augmente. L'équation qui relie ces trois quantités pour les photons est : [math]\displaystyle{ c = \lambda f }[/math].

La longueur d'onde et la fréquence étant déterminées l'une par rapport à l'autre, l'équation de l'énergie contenue dans un photon peut être écrite de deux manières différentes :

[math]\displaystyle{ E = hf }[/math] ou [math]\displaystyle{ E = \frac{hc}{ \lambda} }[/math]

• [math]\displaystyle{ E }[/math] = l'énergie du photon
• [math]\displaystyle{ h }[/math] = la constante de Planck (6,62606957(29)×10^-34 J·s )
• [math]\displaystyle{ f }[/math] = la fréquence des photons
• [math]\displaystyle{ \lambda }[/math] = la longueur d'onde du photon
• [math]\displaystyle{ c }[/math] = la vitesse de la lumière

L'une des découvertes les plus étranges de la mécanique quantique est que la lumière et d'autres petites particules, comme les photons, sont soit des ondes, soit des particules, selon l'expérience qui les mesure. Lorsque la lumière traverse un prisme, les photons s'étalent en fonction de leur longueur d'onde.

Par contre, si vous bombardez du métal avec de la lumière, il affichera un côté particulaire de sa nature, où seuls les photons qui ont plus qu'une quantité spécifique d'énergie libèrent des électrons.

Cette expérience, appelée l'effet photoélectrique, est ce qui a fait gagner à Einstein son prix Nobel. Les photons dont l'énergie est insuffisante peuvent frapper le métal, mais ne feront pas perdre d'électrons. Les photons qui dépassent un seuil d'énergie font généralement tomber les électrons, mais lorsque l'énergie du photon devient beaucoup plus importante que nécessaire, la probabilité qu'il éjecte un électron diminue. Ainsi, un faisceau de lumière violette à faible énergie totale peut éjecter des électrons d'un métal particulier, alors qu'un faisceau rouge à haute énergie ne parvient pas à en éjecter un. Comme chaque photon du faisceau rouge a une énergie plus faible, ils sont beaucoup plus nombreux. Cette découverte est à l'origine de la révolution quantique en physique. La physique classique et l'intuition ont toutes deux conclu erronément que l'énergie totale du faisceau serait le facteur le plus important pour éjecter des électrons.

Ce phénomène est important pour la physique des cellules photovoltaïques.

Pour en savoir plus sur les photons, veuillez consulter la page hyperphysics sur les photons et la page hyperphysics sur les quantiques de la lumière.