FORMULES de PHYSIQUE
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PHOTONS
-photons
Le photon est l’un des 4 bosons-véhicules de la théorie quantique des champs (TQC)
Il y a diverses appellations de photons, classées selon la fréquence de leur onde porteuse
les notations ci-dessous sont f(Hz)= fréquence/// l(m)= longueur d’onde/// EJ= énergie en Joule/// EéV= énergie en électronvolt
Valeurs approximatives (sauf pour la lumière, valeurs au contraire, précises)
--photons d’ondes EBF (ELF en anglais) : (f=quelques Hz)-(l=3.108)-(EJ=10-34)--EéV(10-15)
--photons d’ondes SBF (SLF en anglais) : (f=10)-(l=3.107)-(EJ=7.10-33)--EéV(10-14)
--photons d’ondes UBF (ULF en anglais): (f=102)-(l=3.106)-(EJ=7.10-32)--EéV(4.10-13)
--photons d’ondes TBF (VLF en anglais) : (f=103)-(l=3.105)-(EJ=7.10-31)--EéV(4.10-12)
--photons d’ondes BF (LF en anglais) ou grandes ondes r°: (f=104)-(l=3.104)-(EJ=7.10-30)--EéV(4.10-11)
--photons d’ondes MF ou petites ondes radio : (f=105)-(l=3.103)-(EJ=7.10-29)--EéV(4.10-10)
--photons d’ondes HF ou ondes courtes radio : (f=106)-(l=3.102)-(EJ=7.10-28)--EéV(4.10-9)
--photons d’ondes THF (VHF en anglais) ou FM radio-T.V. : (f=107-(l=30)-(EJ=7.10-27)--EéV(4.10-8)
--photons hertziens (ondes ultra-courtes UHF pour micro-ondes,maser,radar) >>
(f=108)-(l=3)-(EJ=7.10-26)--EéV(4.10-7)
--photons d’ondes SHF pour micro-ondes & laser >>
(f=109 à 10)-(l=3.10-1 à -2)-(EJ=10-24 à 25)--EéV(10-5 à 6)
--photons d‘ondes EHF// micro-ondes, laser, rayons T(érahertz) >>
(f =1011 à 12)-(l=3.10-3 à -4)-(EJ=10-22/23)--EéV(10-4)
--photons d’infrarouge zone fréquence mini: (f=1013)-(l=3.10-5)-(EJ=7.10-21)--EéV(4.10-2)
--photons d’infrarouge zone fréquence maxi: (f =1014)--(l=3.10-6)--(EJ=10-20)--(EéV=10-1)
--photons de lumière rouge (f =4,3.1014)-(l=7.10-7)-(EJ=2,8.10-19)-(EéV=1,8)
--photons de lumière verte (f =5,7.1014)-(l=5,3.10-7)-(EJ=3,8.10-19)-(EéV=2,4)
--photons de lumière violette (f=7,9.1014)--(l=3,8.10-7)--(EJ=5,2.10-19)--(EéV=3,2)
--photons de l'ultraviolet proche……(f =1015)--(l=3.10-7)--(EJ=7.10-19)--(EéV=4,4)
--photons ultraviolet lointain (f =1016)--(l=3.10-8)--(EJ=10-17)--(EéV=44)
--photons rayons X ………...(f =1017 à 20)--(l=10-9 à -12)--(EJ=10-17 à -14)--(EéV=106 à 3)
--photons gamma en zone fréquence mini: (f =1021)--(l=3.10-13)--(EJ=10-13)--(EéV=106)
--photons gamma en zone fréquence maxi: (f =1022)--(l=3.10-14)--(EJ=10-12)--(EéV=107)
-rayons cosmiques: (f =1023 à 24)--(l=10-15 à -16)--(EJ=10-11 à -10)--(EéV=108 à 9)
En accélèrant artificiellement les particules, on peut atteindre jusqu’à1026 Hertz
Le photon est une boule d'énergie et il n'a pas de masse, puisque ce n'est pas une energie appartenant à la rubrique massique. C'est de l'énergie pure. La masse est une forme d'énergie, mais inversement le mot "énergie" n'implique pas obligatoirement que ce soit une masse !
Donc dire que la masse du photon est nulle est une phrase aussi aberrante que de dire “l’intelligence du photon est nulle” !)
Les formules donnant l'équivalence énergétique pour un photon sont puisque énergie d'un photon (h.n) : -pour des fréquences d'onde n allant de 101 à 24 Hz
Ep = 10-32 à -9 Joule
mais si on la calculait par Ep (la même énergie, mais corpusculaire) = mp.c² on aurait des masses équivalentes comprises entre (10 -25 à -9/ c²) = 10-49 à -26 kg, ce qui est l’équivalent massique d’un photon
La durée de vie du photon est très variable :
= 1025 s pour les photons venant du fond de l’univers
= 10-1 seconde pour un photon qui est renvoyé multiplement entre 2 miroirs
= 10-24 s. pour les photons issus de la fluctuation du milieu (le vide)
Le nombre total de photons en service dans l'univers est (estimé) 109 fois supérieur au nombre de nucléons (ce qui correspond à environ 1086 photons)
INTERACTION ENTRE 2 CHARGES ELECTRIQUES
Une charge électrique (particule induite) interagit avec l'une de ses consoeurs (autre charge électrique) grâce à l'intermédiaire d'une particule (un médiateur énergétique, nommé photon) qui déclenche une force d'interaction entre elles
Ce médiateur (un boson de jauge dit photon) enclenche l’interaction répondant comme toujours à la loi de Newton E = ζ’(1 + αé).Q1.Q2 / l.Ω
où E(J) est l'énergie développée, ζ’ est l'inductivité,(1 + αé) est le facteur de couplage, Q1et Q2 les charges électriques, l est leur éloignement et Ω est l'angle solide dans lequel a lieu l'interaction (4p stéradians)
La PHOTOELECTRICITE
est une transformation d'énergie lumineuse en énergie électrique
-l'effet photoélectrique
est une transformation d'énergie lumineuse en énergie
électrique (un photon d'un rayonnement électromagnétiqiue arrache un électron d'un métal)
Pour un métal donné, l’émission électronique ne commence que pour une valeur
suffisante d'énergie, dite seuil photoélectrique
En outre, si le photon dispose d’une énergie Es(de seuil) il peut causer la création d'une paire (particule + antiparticule) Mais ces 2 dernières s'annihileront presqu'immédiatement (pour recréer un autre photon -sans doute après avoir pris un peu d'énergie au "vide" ! -)
Cela ressemble fort à une création de particule virtuelle, mais qui dure seulement un peu plus longtemps...
-le seuil photoélectrique
Sur un métal donné, l'arrivée d'un photon provoque une distribution énergétique >>
-un dégagement de chaleur (négligeable)
-une énergie cinétique (mv²/ 2)
-une énergie de création d'une autre particule (éventuellement)
-une énergie servant à l'extraction d'un électron
Cette dernière doit donc vaincre la liaison que l'électron présente avec son hôte et le photon ne pourra l'arracher que moyennant un minimum énergétique dit «seuil photoélectrique»
-la longueur d'onde correspondant au seuil photoélectrique
est spécifique de chaque métal >>> Exprimée en 10-5 mètre, c'est :
Pt(1,9)—Ag(2,7)—Cu(2,9)—Zn(3,7)—Na(5,2)—Ca(6,5)
On peut aussi raisonner en fréquence (de seuil photoélectrique)
Comme la fréquence est νseuil = Ee/ h et que λ = νs / c
où Ee(J) est l'énergie nécessaire pour extraire le photon du métal et h est la constante de Planck (6,62606876.10-34J-s)
On exprime le seuil en fréquences :
-pour le zinc (# 1015 Hz, donc l'ultraviolet)
-pour le césium (νseuil # 4.1014 Hz, donc le rouge)
-pour les alcalins (νseuil # 6.1014 Hz, donc le vert)
-pour le baryum (νseuil # 5.1014 Hz, donc le vert-bleu )
L'émission électronique n'est pas fonction de l'intensité (P') du rayonnement
-la sensibilité photoélectrique est le rapport entre: quantité de photons émergents et incidents dans l’effet photoélectrique
RESUMONS QUELQUES INTERACTIONS PHOTONS et MATIERE
--l’effet Compton: le photon est diffusé par un électron libre ou faiblement lié >> la somme de l’énergie d’un nouveau photon et de l’énergie cinétique de l’électron est égale à l’énergie du photon incident
--la diffusion Rayleigh: le photon est diffusé sans perte d’énergie par un système électronique (atome)
--la photodésintégration du noyau : le photon est absorbé par le noyau et une particule est émise (p, n, etc…)
--l’effet photoélectrique: le photon est absorbé par un système électronique (d’un atome) → il cède toute son énergie >> un électron atomique est éjecté hors de l’atome avec une énergie cinétique égale à l’énergie du photon moins l’énergie de liaison de l’électron dans l’atome
--la création de paire : dans le champ électrique d’un noyau ou d’un électron → le photon disparaît pour faire place à une paire électron-positron (fugacement). C’est le même phénomène que le choc entre 2 photons (d’une énergie > à 5.10-13 J chacun) qui crée occasionnellement de la matière (électron + positron, qui d’ailleurs se détruisent aussitôt, pour redonner un autre photon)