1. Lumière et rayonnement

Photons    (3/4)

Quelles sont les caractéristiques des photons ?

• Ils possèdent une vitesse bien plus élevée que les particules que nous rencontrons dans la vie de tous les jours. Dans le vide, ils voyagent à une vitesse de:
  
  c=2.998·10⁸ m/s
  C'est la vitesse de la lumière, une notion que nous avons déjà abordée en parlant des ondes électromagnétiques. Commes les ondes électromagnétiques, les photons ont une vitesse légèrement plus faible quand ils voyagent dans des matériaux transparents. Les photons ne peuvent jamais se déplacer plus vite ou plus lentement qu'à la vitesse de la lumière !
• Les photons n'ont pas de masse comparés aux autres particules que nous connaissons.
• Le photons ont une énergie E et une quantité de mouvement p:
  $E=hf$                      $p=\frac{h}{\lambda }$
  Les quantités f et λ désignent la fréquence et la longueur d'onde d'une onde électromagnétique.
• A première vue, ces relations peuvent sembler contradictoires. Elles combinent des caractéristiques de particules (énergie, quantité de mouvement) et des caractéristiques d'ondes (fréquence, longueur d'onde), qui ne devraient à priori pas être mélangées. Mais ces types de relations sont très courantes en physique quantique. La lumière possède une double nature, elle est à la fois ondulatoire et particulaire ! C'est ce qu'on appelle la dualité onde-particule.
• Les ondes et les particules sont des modèles complémentaires pour décrire le comportement de la lumière:
  $f\leftrightarrow E$
  $\lambda \leftrightarrow p$
• Les caractéristiques ondulatoires et particulaires peuvent être réunies par la constante de Planck
  
  h=6.626·10^-34 J s .
  La constante de Planck est une des constantes fondamentales en physique quantique.

La masse, la quantité de mouvement et l'énergie de particules ou de photons sont expliquées en détail dans le supplément 1.5 (en anglais).

Quelles unités sont utilisées pour mesurer l'énergie des photons ? Le Joule (ou watt seconde) est l'unité d'énergie du système international. Mais dans cette unité, l'énergie des photons possède une très petite valeur numérique: 10^-20 J pour un photon de lumière visible. C'est pourquoi on préfère utiliser l'électronvolt (eV), une unité hors système international. 1 eV équivaut à 1.6·10^-19 J.

Spectre de la lumière visible en fonction des longueurs d'onde et de l'énergie d'un photon.

Maintenant, nous sommes capables de répondre à certaines questions auxquelles nous ne pouvions pas répondre auparavant: Qu'est-ce que l'énergie et l'intensité lumineuse ? Quel type de lumière peut nous faire bronzer ? Comment voyons-nous en couleurs ?...

A condition qu'ils possèdent la quantité d'énergie nécéssaire, les photons peuvent être absorbés par des atomes et des molécules. Un objet éclairé par un rayonnement peut être transparent ou réflecteur. Le bronzage de la peau est le résultat d'une réaction chimique qui nécéssite des photons de 3 eV d'énergie, ce qui correspond à la lumière bleue ou ultraviolette qui possède une longueur d'onde de 400 nm. La lumière visible provenant d'une ampoule n'a donc pas suffisament d'intensité dans cette gamme de longueur d'onde que pour provoquer le bronzage de la peau.