Nature de la lumière : le photon


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Formation de l’image photographique  – Nature de la lumière

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Le photon

Le photon est un corpuscule électriquement neutre, de masse presque nulle Il ne peut acquérir de l’énergie que grâce à sa vitesse très élevée.

La théorie des quanta, appliquée aux champs électromagnétiques, avait supposé, pour le photon, une masse nulle, afin d’être en accord avec les équations de Maxwell. Les calculs de la mécanique ondulatoire exigent, par contre, une masse non nulle, bien qu’extrêmement petite. Si la masse de l’électron est m = 0,9.10-27 g,  Celle du photon ɣ serait de l’ordre de 10-45 à 10-65. Il en résulte que la vitesse de la lumière est une vitesse limite que le photon n’atteint jamais.

En étudiant l’électron, on s’aperçoit qu’il présente un spin ou moment angulaire de rotation (sur lui-même), accompagné d’un effet magnétique.

La quantité de mouvement du spin est mesurée en unité h/2π. Celui de l’électron a une valeur 1/2(h/2π) ; on dit que l’électron a un spin 1/2. Celui-ci ne peut prendre d’ailleurs que deux valeurs opposées : + 1/2 et — 1/2 suivant le sens de rotation.

Le photon est aussi doué de spin, mais égal à 1. Or le spin est la résultante de trois composantes rectangulaires. Le photon peut donc passer par différents états suivant les valeurs de ces composantes. L’une d’elles peut être positive, nulle ou négative, c’est-à-dire égale à +h/2π, 0 ou —h/2π. Si la composante est positive, il se forme un champ électrique et un champ magnétique perpendiculaires, qui accompagnent le photon. Le plan, formé par les directions de ces deux champs, est animé d’un mouvement de rotation vers la gauche, autour du troisième axe, celui de propagation. La vitesse angulaire de rotation est 2πv. Cette image correspond à celle de la représentation maxwellienne. Elle est analogue quand la composante du spin, suivant l’axe de propagation, est négative, sauf que le plan des champs électromagnétiques tourne à droite. On dit que la polarisation circulaire de l’onde est gauche ou droite. La combinaison d’une onde circulaire droite avec une onde circulaire gauche produit une onde polarisée rectiligne ou elliptique, suivant l’équivalence des deux ondes élémentaires ou la prédominance de l’une d’elles.

Dans le cas d’une composante de spin nulle, le photon se trouve accompagné seulement d’une onde électrique se déplaçant dans le même sens que lui.

Le photon de spin 1 est donc bien conforme au résultat des équations de Maxwell sur les ondes électromagnétiques. Cependant d’autres types d’équations mettent en jeu un photon de spin 0, encore inconnu.

On peut même considérer les photons de spin 1 ou 0 comme résultant de la fusion de deux corpuscules de spin 1/2 dont les spins s’ajoutent ou s’annulent. Ces corpuscules hypo­thétiques, l’ergon et l’antiergon, ont fait l’objet de maintes suppositions. On a pensé qu’ils seraient associés de la même manière qu’un électron avec un positon. En effet, un photon d’énergie supérieure à un million d’électrons-volts est susceptible de se matérialiser sous forme d’un positon et d’un électron, quand il traverse un atome. Inversement on peut dématérialiser le couple positon-électron sous forme de deux photons d’un demi million d’électrons-volts chacun. C’est le passage réversible de la lumière à la substance.

Les associations de photons suivent la loi statistique de Bose-Einstein, pour laquelle le même état peut appartenir à un nombre quelconque de corpuscules. Les électrons, au contraire, suivent la loi statistique de Fermi-Dirac où un corpuscule est seul à avoir un état particulier, à l’exclusion de tout autre corpuscule. Ce dernier principe, formulé par Pauli, pose que deux électrons ne peuvent suivre exactement la même orbite.

En résumé, la lumière est constituée de corpuscules d’énergie, ou photons, transportant une onde électromagnétique anisotrope.

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