impact d'un photon sur un atome au niveau électrique

[immarcello]

Bonjour,
je me pose la question de savoir ce que devient la charge d'un atome lorsqu'il est percuté par un photon.
merci de votre réponse.

[darrigan]

Bonjour,

Un atome est électriquement neutre, car il contient autant d'électrons qu'il n'y a de protons dans son noyau.

Un photon transporte une quantité d'énergie bien précise, égale à $E = h \nu = \frac{hc}{\lambda}$ (voir par ailleurs la signification de ces lettres). C'est une particule de charge électrique nulle.

Lorsqu'un photon arrive sur un atome à l'état fondamental (= de plus basse énergie, c'est-à-dire le plus stable), il peut se passer plusieurs choses :
- Rien du tout, si le photon a une énergie inférieure à l'énergie nécessaire pour exciter un électron de l'atome. Eventuellement, le photon peut être diffusé par l'atome, c'est-à-dire changer de trajectoire, mais sans perdre d'énergie, ni transférer d'énergie à l'atome.
- Passage de l'atome dans un état excité, si le photon transporte assez d'énergie pour qu'un électron puisse passer d'une orbitale atomique (ou disons pour simplifier, niveau électronique) vers une autre orbitale de plus haute énergie. L'atome reste neutre électriquement.
- Ionisation de l'atome, si le photon transporte tellement d'énergie qu'il est capable de faire sauter un électron d'une orbitale atomique vers l'infini, c'est-à-dire détacher l'électron de l'atome. Dans ce cas, on se retrouve avec un cation (chargé positivement) et un électron libéré (que l'on appelle photoélectron). C'est aussi ce que l'on appelle l'effet photoélectrique.

Cela répond à ta question ?

[immarcello]

Bonsoir,
Tout d’abord un grand merci pour ta réponse.
Je me pose alors d’autres questions :
Savoir comment un paquet d’énergie qui n’a pas de masse peut agir sur un électron qui en a une (9,1094 10-31 kg).
Si j’ai bien compris un photon est un paquet d’énergie sous-tendu par un processus ondulatoire. L’énergie étant due au mouvement.
Je comprends qu’une masse en mouvement a une énergie qu’elle peut transmettre, mais ici il n’y a pas de masse, alors comment se fait le contact.
Il faut beaucoup d’énergie pour arriver a faire sauter l’électron, de quelle ordre de grandeur ?
Merci d’avance.

[darrigan]

Bonsoir,

La masse est certes équivalente à une certaine quantité d'énergie (le fameux $E = mc^2$ de Einstein), mais ce n'est pas la masse qui est ici responsable de l'interaction entre un photon et un atome.

Le photon n'a pas de masse, mais il est le "boson vecteur" de l'interaction électromagnétique. C'est donc lui qui est responsable de l'interaction entre les électrons et les protons, dans un atome. "Boson vecteur" signifie que c'est une particule de spin entier (= 1) qui transmet l'interaction. Mais c'est aussi une onde, en fait c'est les deux à la fois. (Tout comme un électron peut être vu comme une particule, mais parfois il se comporte comme une onde… c'est ce qu'on appelle la "dualité onde-corpuscule" (voir la relation de De Broglie).) Bref, le photon sous sa forme ondulatoire est une onde électromagnétique, c'est-à-dire un champ électrique et un champ magnétique, perpendiculaire entre eux et à la direction de propagation, et ces champs ont une certaine fréquence, qui caractérise justement l'énergie transportée par le photon. Quand un photon passe proche d'un électron négatif, ce dernier est perturbé par le champ électrique alternatif de l'onde, et il se met à osciller de façon forcée.

Même sans avoir de masse, le photon possède une certaine impulsion $\vec{p}$ (ou quantité de mouvement) qu'il peut transférer à une particule qui l'absorbe. Sa norme est : $p = \frac{h}{2\pi}k$
avec : $k = \frac{2\pi}{\lambda}$
D'où :
$p = \frac{h}{\lambda}$
Mais comme on a : $E = \frac{hc}{\lambda}$
Il vient l'égalité :
$p = \frac{E}{c}$
ou encore : $E = p \times c$ pour le photon.

Pour faire sauter un électron, faut-il "beaucoup" d'énergie ? Par exemple pour l'atome d'hydrogène, il faut 13,6 eV pour éjecter l'électron, c'est-à-dire 2,18.10-18 J.

[ecolami]

Bonsoir,

La masse est certes équivalente à une certaine quantité d'énergie (le fameux $E = mc^2$ de Einstein), mais ce n'est pas la masse qui est ici responsable de l'interaction entre un photon et un atome.

Le photon n'a pas de masse, mais il est le "boson vecteur" de l'interaction électromagnétique. C'est donc lui qui est responsable de l'interaction entre les électrons et les protons, dans un atome. "Boson vecteur" signifie que c'est une particule de spin entier (= 1) qui transmet l'interaction. Mais c'est aussi une onde, en fait c'est les deux à la fois. (Tout comme un électron peut être vu comme une particule, mais parfois il se comporte comme une onde… c'est ce qu'on appelle la "dualité onde-corpuscule" (voir la relation de De Broglie).) Bref, le photon sous sa forme ondulatoire est une onde électromagnétique, c'est-à-dire un champ électrique et un champ magnétique, perpendiculaire entre eux et à la direction de propagation, et ces champs ont une certaine fréquence, qui caractérise justement l'énergie transportée par le photon. Quand un photon passe proche d'un électron négatif, ce dernier est perturbé par le champ électrique alternatif de l'onde, et il se met à osciller de façon forcée.

Même sans avoir de masse, le photon possède une certaine impulsion $\vec{p}$ (ou quantité de mouvement) qu'il peut transférer à une particule qui l'absorbe. (........).

bonsoir,
En présentant le photon comme un boson vecteur cela laisserait entendre que dans chaque atome il existe un photon associé a chaque électron et assurant l'interaction avec les protons du noyau. Ce genre de photon serait piégé dans l'atome (et alors l'excitation par un photon incident le libérerait?)

[brusicor02]

Ce qui est le cas : c'est la vision de la théorie quantique des champs, où on fait intervenir des particules virtuelles qui apparaissent pour des durées très brèves et qui sont vecteur de l'interaction. Un électron repousse un autre électron par échange d'un photon virtuel vecteur de la force électromagnétique.

Prenons le théorème d’Heisenberg mais appliqué à la relation temps-énergie. On a l'inégalité suivante $$\Delta E \cdot \Delta t \geq \frac{\hbar}{2}$$ Cette relation est particulière, puisqu'on a pas d'opérateur temps en physique quantique, c'est un paramètre. Dans mon exemple, c'est la durée de vie de la particule virtuelle. On peut ré-écrire l'inégalité ainsi : $$\Delta E \geq \frac{\hbar}{2 \, \Delta t} \Rightarrow \Delta m \geq \frac{\hbar}{2 c^2 \Delta t}$$ Autrement dit, pour des durées d'existence $\Delta t$ faibles, une particule de masse $\Delta m$ (ou d'énergie $\Delta E$) peut naître et disparaître ensuite. Des particules virtuelles peuvent donc émerger des fluctuations du vide. Le photon n'existait pas piégé avant, mais ils naissent des changements d'énergie du système causés par les interactions.

[darrigan]

En présentant le photon comme un boson vecteur cela laisserait entendre que dans chaque atome il existe un photon associé a chaque électron et assurant l'interaction avec les protons du noyau. Ce genre de photon serait piégé dans l'atome (et alors l'excitation par un photon incident le libérerait?)

Il y a des échanges de photon en permanence entre les particules chargées en interaction.

Bon, je n'aurais pas dû en parler, en occultant cette partie de photons virtuels que l'on ne "voit" jamais réellement, car cela peut embrouiller les choses. Mais il fallait rappeler que le photon est la particule qui véhicule l'interaction électromagnétique, pour expliquer pourquoi il peut avoir une action sur les particules chargée (et donc que son action n'est pas liée à la masse qui, elle, serait véhiculée par un autre boson (hypothétique)… le graviton)

[ecolami]

Ce qui est le cas : c'est la vision de la théorie quantique des champs, où on fait intervenir des particules virtuelles qui apparaissent pour des durées très brèves et qui sont vecteur de l'interaction. Un électron repousse un autre électron par échange d'un photon virtuel vecteur de la force électromagnétique.

Prenons le théorème d’Heisenberg mais appliqué à la relation temps-énergie. On a l'inégalité suivante $$\Delta E \cdot \Delta t \geq \frac{\hbar}{2}$$ Cette relation est particulière, puisqu'on a pas d'opérateur temps en physique quantique, c'est un paramètre. Dans mon exemple, c'est la durée de vie de la particule virtuelle. On peut ré-écrire l'inégalité ainsi :$ $$\Delta E \geq \frac{\hbar}{2 \ $,$ \Delta t} \Rightarrow \Delta m \geq \frac{\hbar}{2 c^2 \Delta t}$$ $Autrement dit, pour des durées d'existence$ $\Delta t$ $faibles, une particule de masse $ $\Delta m$ (ou d'énergie $\Delta E$) $peut naître et disparaître ensuite. Des particules virtuelles peuvent donc émerger des fluctuations du vide. Le photon n'existait pas piégé avant, mais ils naissent des changements d'énergie du système causés par les interactions.

Bonjour,
On peut bien considérer, comme je l'ai écrit, qu'un photon soit associé a chaque électron pour assurer l'interaction. Dans ces conditions particulières aucune lumière n'est émise parce que sinon le système perdrait de l'énergie.
Quant a faire apparaitre ex-nihilo une particule virtuelle dans le cas très particulier du photon qui se trouve être sa propre anti-particule c'est sans doute inutile.

[immarcello]

Bonjour,
Je viens de vous lire, et d’autres questions se pose à moi :
Lorsqu’un photon rencontre un électron, il peut lui faire sauter une couche et disparaître, si j’ai bien compris. Alors que devient l’onde ?
L’évidence porte à penser que l’énergie a servie à faire passer l’électron à une couche supérieure, mais l’onde de la dualité particule onde, qu’est-elle devenu et lorsque l’électron reprend sa place avec émission d’un photon, ce dernier a-t-il la même longueur d’onde que précédemment ou est-ce aléatoire ?
Autrement dit, un photon (lumineux par exemple) peut-il disparaître par son action avec un électron et réapparaitre tel qu’il était au départ avec la même longueur d’onde, ou bien est-il effacé sans aucune mémoire de son existence précédente ?
Le paquet d’énergie qu’est le photon est-il quantifiable, et peut-on traduire cette quantité d’énergie indépendamment de l’onde ou le lien onde énergie est-il si fort que l’on ne puisse pas considérer la valeur de ce paquet d’énergie ?

[darrigan]

Bonjour,

Quand un photon (particule ou onde) est absorbé par l'atome, et qu'un électron saut vers un niveau d'énergie supérieur, le photon disparaît. L'énergie qu'il transportait fait maintenant partie de l'énergie interne de l'atome. L'atome est dans un état excité.

Quand l'atome revient à son état fondamental, l'électron qui était sur un niveau supérieur revient sur le niveau le plus bas qu'il peut occuper. Il y a alors émission d'un photon dont l'énergie correspond à la différence d'énergie entre les deux niveaux électroniques (ou les deux états de l'atome).

Mais cette désexcitation peut se faire en plusieurs étapes, par exemples l'électron peut descendre sur un niveau plus bas (mais pas forcément le plus bas), puis redescendre vers le niveau le plus bas. Il y a alors émission de deux photons, chacun ayant comme énergie la différence entre les deux niveaux concernés.

Donc on peut très bien avoir absorption d'un photon d'énergie $E_1$, puis émission d'un photon d'énergie $E_1$, ou bien émission de plusieurs photons successifs d'énergies $E_2$, $E_3$, etc. Le(s) photon(s) émi(s) ne l'est (le sont) pas forcément dans la même direction de propagation que le premier photon qui a servi à exciter l'atome ; c'est aléatoire. S'ils ont même énergie, alors ils ont même fréquence et longueur d'onde.

Il n'y a pas de "mémoire" conservée entre le photon absorbé et le(s) photon(s) émi(s), si ce n'est par la conservation de l'énergie totale. (Dans le cas d'une molécule, c'est plus compliqué, il y a d'autres phénomènes qui peuvent faire que l'énergie totale des photons n'est pas conservée, par exemple lors d'une fluorescence.)

Un photon est un "paquet d'énergie électromagnétique" quantifié : son énergie $E$ et sa fréquence $\nu$ sont liées par la relation $E = h\nu$, où $h$ est la constante de Planck (appelé aussi quantum d'action). Il est impossible de changer $\nu$ sans changer $E$, et inversement. (Par contre, pour la longueur d'onde $\lambda$, c'est différent, celle-ci peut changer si jamais le photon traverse un milieu où la lumière se propage plus lentement, selon l'indice de réfraction du milieu. Mais la fréquence, elle, ne change jamais pour une énergie donnée.)

[immarcello]

Bonjour,
C’est toujours avec un grand plaisir que je vois le soin avec lequel vous me répondez.
Je me pose une question :
Dans E=mc² l’énergie est exprimée en fonction de la masse m (on parle d’énergie de masse)
Le photon est un paquet d’énergie, cette énergie peut-elle être exprimée de la même manière et dans ce cas, quel est la valeur de m puisque le photon n’a pas de masse.
Si non quelle est la différence entre l’énergie du photon et l’énergie E

[brusicor02]

Bonjour,

C'est le problème de la popularisation de la formule $E=m \, c^2$, c'est qu'on oublie ses conditions d'utilisations. C'est une version simplifiée de l'expression générale pour un objet d'impulsion nulle (comprenez vitesse), ce qui n'est pas le cas de la lumière qui se déplace à $c$.

L'équation complète dit ceci : $$E^2 = m_0^2 \, c^4 + p^2 c^2$$ où l'énergie de la particule dépend de sa masse au repos $m_0$ et de son impulsion $p$. Vous pouvez le voir comme un théorème de Pythagore :

• un côté horizontal de longueur $m_0 \, c^2$ qui correspond à l'influence de la masse au repos.
• un côté vertical de longueur $p \cdot c$ qui est lié à l'impulsion de la particule, donc lié au mouvement.
• l’hypoténuse qui est l'énergie $E$.

On a donc plusieurs cas limites :

• si l'objet est immobile (ex : un noyau atomique en première approximation) : $p= 0 \Rightarrow E = m_0 \, c^2$, on retrouve l'équation classique.
• si l'objet n'a pas de masse au repos (ex : la lumière justement) : $m_0 = 0 \Rightarrow E = p \cdot c$ qui permet d'en déduire que l'impulsion d'un photon dépend de sa fréquence $\nu$.

Il s'agit bien de la même énergie, la seule différence de la lumière est donc de ne pas avoir de contribution liée à sa masse. Les équations sont les bases de la relativité restreinte, je vous conseille de regarder par là pour plus de détails.

[darrigan]

Je n'aurais pas mieux répondu que Brusicor.

J'ai un ami passionné de relativité (et de maths et physique en général). Il passe ici de temps en temps, peut-être qu'il ajoutera une réponse ?
Son site est : http://o.castera.free.fr/index.html

[immarcello]

Bonjour,
Je reviens vers vous après que vous m’ayez éclairé sur la formule E2=m20c4+p2c2
Je vous remercie de vos réponses qui me font avancer.
Le photon étant toujours au centre de mes préoccupations, deux grandes questions se pose à moi.
Le photon est sa propre anti matière. Les particules d’antimatière s’organisent-elles entre elles ?
La question est de savoir si ces particules d’antimatière peuvent constituer des atomes d’antimatière, des molécules d’antimatière etc…
Alors comment agit le photon dans ce monde d’antimatière et sommes-nous capable de lire le photon dans cette nouvelle réaction (dans le monde de l’antimatière) pour qu’il nous livre une image de ce monde d’antimatière ?
Si non comment peut-on percevoir ce monde s’il existe ?


Lorsque l’on qualifie le photon de paquet d’énergie, je n’arrive pas à définir ce terme d’énergie.
Lorsque je regarde la définition d’énergie je vois
« capacité d'un système à produire un travail, entraînant un mouvement »
La question que je me pose alors est d’où vient l’énergie du photon ?
Ou plutôt quelle est cette énergie ?
Apparemment l’énergie macroscopique serait différente de l’énergie microscopique, suis-je dans le vrai ?
En d’autre terme est-ce une énergie purement mathématique démontré par une formule et non palpable à la conceptualisation du monde matériel dans lequel nous vivons ?
Avez-vous une image qui permette d’appréhender cette notion d’énergie ?

Je vous remercie déjà pour le temps que vous me consacrez.

[darrigan]

Le photon est sa propre anti matière. Les particules d’antimatière s’organisent-elles entre elles ?
La question est de savoir si ces particules d’antimatière peuvent constituer des atomes d’antimatière, des molécules d’antimatière etc…
Alors comment agit le photon dans ce monde d’antimatière et sommes-nous capable de lire le photon dans cette nouvelle réaction (dans le monde de l’antimatière) pour qu’il nous livre une image de ce monde d’antimatière ?
Si non comment peut-on percevoir ce monde s’il existe ?

Oui, les particules d'anti-matière s'organisent de la même façon que les particules de matière. Un anti-proton et un positron (anti-électron) peuvent s'associer pour former un antiatome d'hydrogène (ou antihydrogène). On a déjà fabriqué des centaines d'antiatomes ainsi et pu tester leurs propriétés. Mais c'est difficile à fabriquer et à isoler de la matière. En associant 2 antiatomes d'hydrogène, on pourrait former une antimolécule de dihydrogène. Etc.
Les interactions électromagnétiques sont toujours véhiculées par les photons. Ainsi, l'absorption/émission de photons d'un antiatome ou d'une antimolécule serait identique et indiscernable des atomes ou molécules correspondants.

Lorsque l’on qualifie le photon de paquet d’énergie, je n’arrive pas à définir ce terme d’énergie.
Lorsque je regarde la définition d’énergie je vois
« capacité d'un système à produire un travail, entraînant un mouvement »
La question que je me pose alors est d’où vient l’énergie du photon ?
Ou plutôt quelle est cette énergie ?
Apparemment l’énergie macroscopique serait différente de l’énergie microscopique, suis-je dans le vrai ?
En d’autre terme est-ce une énergie purement mathématique démontré par une formule et non palpable à la conceptualisation du monde matériel dans lequel nous vivons ?
Avez-vous une image qui permette d’appréhender cette notion d’énergie ?

L'énergie transportée par un photon n'est pas du tout abstraite. Elle est bien réelle, puisque c'est cette énergie qui peut être absorbée par un atome pour passer d'un état fondamental à un état excité (ou émis dans le processus contraire).
On peut déterminer précisément quelle énergie est nécessaire pour arracher un électron à un atome, en faisant varier progressivement l'énergie de photons que l'on envoie : c'est l'expérience historique de l'effet photoélectrique. C'est ainsi (entre autre) que l'on a démontré les propriétés quantiques de la matière.
Le passage du monde microscopique "quantique" à au monde macroscopique "classique" fait intervenir des statistiques, puisque dans un niveau macroscopique, on travaille sur des milliards (de milliards…) de particules. Ce qui a un comportement parfaitement "discret" (au sens de "quantique") au niveau microscopique, devient plus continu ("classique") au niveau macroscopique, du fait des mouvements des atomes/molécules, de la température, des interactions en très grand nombre, de la présence d'atomes/molécules/etc. dans un grand nombre d'états différents en même temps dans le système… La science qui fait ce passage est la physique statistique (ou thermodynamique statistique).

[darrigan]

Pour compléter ce que disais à propos de l'antihydrogène, voir cet article : http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/actu-mesure-spectre-antihydrogene-38047.php

[immarcello]

Bonjour,
Je vous remercie de m’accorder à chaque fois de votre temps.
Je reviens vers vous pour d’autres questions dont je n’arrive pas à trouver une réponse qui me parle.
Le photon est une particule.
Si je le compare à l’électron qui est une particule alors la masse m’apparait comme seule véritable différence, bien sûr il y a le spin !
Il est vrai que l’un est un boson et l’autre un fermion. Mais cela ne me parle pas.
Ils ont tous deux une énergie, une vitesse et une onde.
Mais l’électron a une masse et le photon non.
Et là intervient la masse.
Hors il semblerait que la masse d’un objet soit défini de manière différente de la masse d’un électron. Mais cela reste confus pour moi.
La question que je me pose est :
Qu’est-ce que le masse dans l’infiniment petit et pourquoi peut-on dire que le photon n’en a pas. Ne serait-ce qu’une infiniment petite, si petite que l’on ne peut pas la mesurer et que son action pourrait être négligeable ?

Une autre question multiple :
Lorsqu’un photon rencontre un autre photon que se passe-t-il ?
Si la rencontre est frontale, s’annulent-ils et que deviennes leurs énergies ?
Si la rencontre est dans le même sens, se potentialisent-ils et y a-t-il une limite à cela ?

[darrigan]

Je commence par le plus simple Pour les autres questions, je dois réfléchir !

Une autre question multiple :
Lorsqu’un photon rencontre un autre photon que se passe-t-il ?
Si la rencontre est frontale, s’annulent-ils et que deviennes leurs énergies ?
Si la rencontre est dans le même sens, se potentialisent-ils et y a-t-il une limite à cela ?

Non, il ne se passe rien : deux photons qui se croisent dans le vide ne se perturbent pas l'un l'autre, ils continuent leur trajectoire sans modification. Cela vient aussi du fait que les photons sont des bosons, et que les bosons peuvent être présents dans un même endroit de l'espace sans aucune limitation. On peut "empiler" des milliards de photons dans un même point d'espace, ils ne se gênent pas ! En physique, on dit qu'ils sont soumis à la statistique de Bose-Einstein.

C'est différent pour les fermions (comme les électrons, proton et neutrons) : ceux-là se gênent lorsqu'ils sont trop proches, ils interagissent, et on ne peut pas en mettre autant que l'on voudrait en un même point de l'espace. Ils sont soumis à la statistique de Fermi-Dirac, et au principe d'exclusion de Pauli.

Cela dit, à propos des photons, puisqu'on peut très bien en "empiler" autant que l'on souhaite, avec la même énergie, dans un même endroit de l'espace, on peut très bien fabriquer un faisceau de photons, qui ont la même direction, la même fréquence, la même phase… c'est ce qu'on appelle un faisceau laser : l'intensité totale du faisceau est la somme des tous les photons. Et il n'y a pas de limite à l'intensité totale, en théorie. (Il y aurait une limite si tous ces photons arrivaient dans un paquet d'atomes et molécules, dans un matériau… là ce serait une énorme perturbation électromagnétique qui pourrait conduire à l'échauffement ou à l'éclatement du matériau…)

[immarcello]

Bonjour,
Je vous remercie de votre réponse et je reviens vers vous après avoir vu que « Une propriété fondamentale des ondes est leur capacité à interagir entre elles, c'est-à-dire de s'additionner si elles sont en phases ou de s'annuler en cas de déphasage »(vu sur Wikipédia fentes dYoung)
Alors lorsque vous me répondez que » deux photons qui se croisent dans le vide ne se perturbent pas l’un l’autre « je me pose la question de savoir pourquoi les ondes qui sous-tendent les photons ne subissent pas l’interaction décrite plus haut ?

[darrigan]

Oui, il y a bien un phénomène d'interférence des ondes électromagnétiques. Mais les photons ne sont perturbés ou modifiés les uns par les autres… (en tout cas dans le vide, donc sans intervention de propriétés optiques d'un matériaux.)

[immarcello]

Bonjour,
Je reviens avec de nouvelles questions en espérant que vous accepterez d’y répondre.
Pourquoi a-t-on le droit de dire que les photons sont des particules élémentaires ?
On ne peut voir que leurs effets et ils disparaissent lorsque l’on a l’impression de les voir.
Lorsque Serge Haroche observe les photons en réalité il observe leurs effets.
Ils agissent plus comme des forces que comme des particules.
Que signifie alors le mot « virtuel », est-il utilisé au sens propre, ou dans le sens de fugace ?
Je m’intéresse depuis peu à la mécanique quantique et je trouve cela bien passionnant, malheureusement je ne maîtrise pas suffisamment l’outil mathématique pour aller au fond des choses. C’est pour cela que je pose surement des questions de base.
Merci de vos réponses.