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)
Le photon est peut-être un trou noir élémentaire ?
On distingue diverses appellations de photons, selon la fréquence de leur onde porteuse >>
--si fréquence entre 2.108 et 3.1011 Hertz, ce sont des photons de microondes
--si fréquence entre 3 et 4.1014 Hertz, ce sont des photons d’infrarouge
--si fréquence de 4.à 8.1014 Hertz >> photons de lumière (1 photon = quantum de lumière)
--si fréquence entre 1015 et 3.1017 Hertz, ce sont des photons de l'ultra violet
--si fréquence entre 1017 et 1019 Hertz, ce sont des photons rayons X
--si fréquence entre 1019 et 1022 Hertz, ce sont des photons gamma
-au-dessus de 1022 (jusqu'à 6.1024 !) ce sont des rayons cosmiques
Le photon est une boule d'énergie et il n'a pas de masse, puisque ce n'est pas une entité appartenant à la famille massique
C'est de l'énergie pure et on peut seulement dire qu'il a la même énergie qu'une particule qui aurait une masse de 10-68 kg. Car les formules d'équivalence sont en effet >>
mp = h.n et aussi mp = h.H0 / c² dont les 2 valeurs numériques donnent bien 10 -68 kg
(n = environ 1020 Hz pour des photons gamma et H0 = 2,32.10-18 pour la constante de Hubble)
Mais dire que la masse du photon est nulle est une phrase nulle, car la masse ne fait pas partie des qualités du photon (c'est comme si l'on disait que la fortune du photon est nulle !)
Toute énergie n'est pas masse !
L'énergie d'un photon est fonction de sa fréquence-donc cela s'échelonne de ˜ 10-25 à
10-9 Joule
La durée de vie moyenne du photon est de 10-20 seconde
INTERACTION ENTRE 2 CHARGES ELECTRIQUES
Une particule induite (une charge électrique) interagit avec l'une de ses consoeurs (autre
charge électrique) grâce à l'intermédiaire d'une particule (un médiateur, nommé photon)
qui déclenche une force d'interaction entre elles
2 charges électriques interagissent grâce à l’intervention d’un boson de jauge dit “photon”, selon la formule de Newton : E = ζ’(1 + αé).Q1.Q2 / l.Ω
où E(J) est l'énergie du photon,, ζ’ l'inductivité,,(1 + αé) le facteur de couplage,,Q1.Q2 les charges électriques,, l leur éloignement,, et Ω 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" !-)
Ca 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 correspondante 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
RESUME de QUELQUES INTERACTIONS de PHOTONS avec la MATIERE
--l’effet Compton: le photon est diffusé par un électron libre ou faiblement lié >> la somme de l’énergie du 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 et une paire électron-positron apparaît (fugacement). C’est le même phénomène pour le choc entre 2 photons, qui crée occasionnellement de la matière (électron + positron, qui se détruisent aussitôt, pour redonner un autre photon)