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Le photon

Le photon est une particule élémentaire fondamentale, c'est-à-dire qu'il n'est pas composé de particules plus petites connues. Il est le quantum, l'unité d'énergie indivisible, du champ électromagnétique et est également la "particule" de la lumière et, plus généralement, de tout rayonnement électromagnétique (ondes radio, micro-ondes, infrarouge, lumière visible, ultraviolet, rayons X, rayons gamma).

L'existence du photon a été postulée pour la première fois par Max Planck en 1900 pour expliquer le rayonnement du corps noir, suggérant que l'énergie n'était pas émise ou absorbée de manière continue, mais par paquets discrets appelés quanta. Albert Einstein a ensuite utilisé cette idée en 1905 pour expliquer l'effet photoélectrique, proposant que la lumière elle-même est composée de tels quanta, qu'il a appelés "quanta de lumière", et qui ont été nommés "photons" en 1926.

Le photon possède plusieurs propriétés distinctives. Il n'a pas de masse au repos; sa masse est rigoureusement nulle lorsqu'il est considéré en dehors de toute interaction. Cependant, il possède une énergie et une quantité de mouvement, qui sont liées à sa fréquence (ν) et à sa longueur d'onde (λ) par les relations de Planck-Einstein et de de Broglie : l'énergie E = hν et la quantité de mouvement p = h/λ, où h est la constante de Planck. Comme sa masse au repos est nulle, un photon se déplace toujours à la vitesse de la lumière (c) dans le vide, quelle que soit la source ou le référentiel de l'observateur, conformément aux principes de la relativité restreinte. Il ne peut jamais être à l'arrêt.

Une autre caractéristique fondamentale du photon est qu'il est électriquement neutre, il ne porte pas de charge électrique. Son spin, qui est son moment cinétique intrinsèque, est égal à 1 (en unités de h/2π), ce qui en fait un boson. Cette propriété est importante car elle signifie que, contrairement aux fermions (comme les électrons, par exemple), un nombre illimité de photons identiques peuvent occuper le même état quantique. C'est le principe qui sous-tend des phénomènes comme l'émission stimulée dans les lasers, où de nombreux photons cohérents sont produits.

Le concept de photon est au coeur de la notion de dualité onde-particule de la lumière. Dans certaines expériences (comme l'interférence ou la diffraction), la lumière se comporte clairement comme une onde. Cependant, dans d'autres expériences (comme l'effet photoélectrique ou la diffusion Compton), elle se comporte comme un flux de particules discrètes d'énergie, les photons. Cette dualité n'est pas une contradiction, mais une manifestation du comportement quantique, où l'entité "lumière" ne peut pas être entièrement décrite par un modèle classique d'onde ou de particule seule, mais requiert la mécanique quantique pour une description complète.

Les photons sont émis ou absorbés lorsque des systèmes physiques changent d'état énergétique, par exemple, lorsqu'un électron dans un atome passe d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau inférieur (émission d'un photon) ou inversement (absorption d'un photon). L'énergie du photon émis ou absorbé est exactement égale à la différence d'énergie entre les deux niveaux. L'émission de photons peut aussi résulter de l'accélération de charges électriques, comme dans une antenne radio ou lorsqu'un électron est ralenti (rayonnement de freinage).

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