Un photon est d'un type de particule élémentaire qui forme l'unité de base d'un rayonnement électromagnétique, qui comprend des ondes radio , infrarouge , lumière visible , l'ultraviolet, les rayons X et les rayons gamma. Photons n'ont pas de masse, pas de charge électrique, et se déplacent à la vitesse de la lumière. Contrairement à certaines particules comme les protons et les neutrons, ils ne sont pas censés être constitué de petits composants. Ils appartiennent à une classe de particules qui sont responsables des forces fondamentales de la nature, et portent la force électromagnétique. Selon la théorie de l'électrodynamique quantique , la façon dont les particules chargées électriquement se comportent l'un vers l'autre peut être décrite en termes de photons.
Les expériences menées dans le 19e siècle semblaient prouver que la lumière est composée d'ondes. Au début du 20e siècle, cependant, d'autres expériences ont indiqué qu'il était constituée de particules. Bien que cela semble contradictoire, formes légères et d'autres du rayonnement électromagnétique se comportent réellement comme deux formes. Les photons sont des particules de lumière, mais ils ont également des propriétés ondulatoires, comme longueur d'onde et la fréquence.
Photons et la matière
La matière peut interagir avec des particules de lumière dans un certain nombre de façons.Un électron dans un atome, par exemple, peut absorber un photon, l'amenant à passer à un niveau d'énergie supérieur. Dans le temps, l'électron peut revenir à un niveau d'énergie plus faible, émettant l'énergie supplémentaire comme un photon. L’œil est capable de détecter la lumière à cause de certaines molécules dans la rétine absorbent l'énergie des photons à l'intérieur de la plage de lumière visible de fréquences. Cette énergie est transformée en impulsions électriques qui voyagent le long du nerf optique dans le cerveau .
Dans certains cas, les électrons peuvent absorber des particules relativement haute énergie des rayons ultraviolets émettent alors l'énergie plus photons de longueurs d'onde de la lumière visible, un phénomène connu sous le nom de fluorescence . Les molécules peuvent absorber de l'énergie à des fréquences infrarouges, ce qui les amène à se déplacer davantage, entraînant une augmentation de la température, c'est pourquoi les objets peuvent être chauffés par le soleil ou par un radiateur électrique. Très photons de haute énergie, tels que les rayons X et rayons gamma, peuvent avoir un effet destructeur sur la matière. Ils ont assez d'énergie pour arracher des électrons des atomes, formant des ions chargés positivement, et pour rompre les liaisons chimiques. Ces effets entraînent des modifications chimiques qui peuvent être très dommageables pour les organismes vivants.
Découverte
Le concept et la découverte des photons sont étroitement liées au développement de la théorie quantique. Vers 1900, le physicien Max Planck a trouvé une solution à un problème qui a troublé les scientifiques depuis un certain temps, impliquant les fréquences de rayonnement électromagnétique émis par un objet à différentes températures. Il a proposé que l'énergie est entré en petites unités indivisibles, qu'il appela quanta . Albert Einstein travail s 'sur l'effet photoélectrique en 1905 a fourni des preuves expérimentales forte que quanta était réel. Ce n'était pas jusqu'en 1926, cependant, que le terme "photon" a d'abord été utilisé - par le chimiste Gilbert N. Lewis - pour décrire les quanta de lumière.
L'énergie et la fréquence
Planck a montré comment l'énergie d'un quantum de lumière est liée est liée à sa fréquence. Il définit une constante, connu sous le nom de la constante de Planck, qui, lorsqu'il est multiplié par la fréquence d'un quantum de lumière, donne son énergie.Photons de hautes fréquences, tels que ceux des rayons X, ont donc plus d'énergie que ceux des basses fréquences, comme les ondes radio. La constante de Planck est extrêmement faible, mais la plupart des sources de lumière produisent un nombre considérable de ces particules, donc l'énergie totale peut être considérable.
Électrodynamique quantique
En théorie quantique développé, il est devenu évident que les forces de la nature doivent être effectuées en quelque sorte par des agents qui ne pouvaient pas voyager plus vite que la lumière, et que ces agents doivent être «quantifiés»: ils peuvent exister que sous forme de multiples d'unités indivisibles. La relation entre la lumière, l'électricité et le magnétisme avait déjà été précisé dans le 19ème siècle. A cette époque, cependant, les formes légères et autres rayonnements électromagnétiques étaient supposés se composer de vagues.Après la découverte de photons, une nouvelle théorie appelée électrodynamique quantiquea été développée, qui a expliqué comment les photons ont force électromagnétique.
La vitesse de la lumière
Photons voyagent toujours à la vitesse de la lumière dans le vide, qui est d'environ 186,000 miles (300.000 km) par seconde. Selon la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, il n'est pas possible pour tout objet matériel pour atteindre cette vitesse, l'augmentation de masse avec la vitesse, de sorte qu'il faut plus d'énergie pour augmenter la vitesse. Photons se déplacer à vitesse de la lumière, car ils n'ont pas de masse.
La lumière peut ralentir, quand il passe à travers le verre, par exemple, mais les particules de lumière individuelles ne sont pas ralentis. Ils sont absorbés par des atomes, qui gagnent temporairement l'énergie, rapidement libérant à nouveau sous la forme d'un autre photon avec la même fréquence. Cela se produit souvent lorsque la lumière passe à travers le verre (ou d'autres substances), et le léger retard entre l'absorption et la libération de l'énergie signifie que les particules prennent plus de temps pour traverser qu'ils ne le feraient pour passer à travers l'air ou le vide. Chaque photon, cependant, se déplace toujours à la vitesse de la lumière.
La relativité restreinte montre que voyager à près de vitesse de la lumière a des conséquences étranges. Par exemple, le temps ralentit par rapport à des objets qui ne sont pas en mouvement, un effet connu comme la dilatation du temps . Si un astronaute accélère loin de la Terre juste en dessous de la vitesse lumière revient un an plus tard - selon son calendrier - il peut constater que dix ans ont passé sur Terre. Il n'est pas possible pour un astronaute pour atteindre la vitesse de la lumière, mais beaucoup de gens ont spéculé sur ce que signifie la dilatation du temps pour les photons. Selon la relativité restreinte, le temps doit s'arrêter tout à fait.
Un homme regardant la galaxie d'Andromède, qui est de 2,2 millions d'années lumière, c'est de voir que les photons - de son point de vue - ont parcouru 2,2 millions années lumière et prise 2.200.000 années pour le faire. On peut dire, cependant, que, du point de vue des photons d', le voyage a pris très peu de temps et que la distance parcourue est effectivement nul. Étant donné que chaque particule de lumière est «né» dans une étoile et existe jusqu'à ce qu'il frappe la rétine de l'astronome, il pourrait aussi dire que de son propre point de vue, il existe un photon pour l'instant zéro, et donc n'existe pas du tout. Le consensus parmi les scientifiques, cependant, est qu'il n'a tout simplement pas de sens de penser à des particules de lumière que d'avoir un point de vue ou "l'expérience" quoi que ce soit.
