Le photon est une particule élémentaire qui est le quantum d'énergie associé aux ondes électromagnétiques (allant des ondes radio aux rayons gamma en passant par la lumière visible). En théorie quantique des champs, le photon est une excitation du champ électrodynamique quantique et de ce fait la particule médiatrice de l’interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d’un point de vue quantique comme un échange de photons.
L'idée d'une quantification de l'énergie transportée par la lumière a été développée par Albert Einstein en 1905, à partir de l'étude du rayonnement du corps noir par Max Planck, pour expliquer l'effet photoélectrique qui ne pouvait pas être compris dans le cadre d’un modèle ondulatoire classique de la lumière, mais aussi par souci de cohérence théorique entre la physique statistique et la physique ondulatoireFrançoise Balibar, Einstein 1905, de l'éther aux quanta, éditions PUF, 1992 . La découverte de l'effet Compton en 1923, donnant également des propriétés corpusculaires à la lumière, et l’avènement de la mécanique quantique et de la dualité onde-corpuscule amènent à considérer ce quantum comme une particule, nommée photon en 1926.
Le photon correspond à un « paquet » d’énergie élémentaire, ou quanta de rayonnement électromagnétique, qui est échangé lors de l’absorption ou de l’émission de lumière par la matière. De plus, l’énergie et la quantité de mouvement (pression de rayonnement) d’une onde électromagnétique monochromatique sont égales à un nombre entier de fois celles d’un photon.
Le concept de photon a donné lieu à des avancées importantes en physique expérimentale et théorique, telles que les lasers, les condensats de Bose-Einstein, l’optique quantique, la théorie quantique des champs et l’interprétation probabiliste de la mécanique quantique. Le photon est une particule de spin égal à 1, c’est donc un bosonLa matière est constituée de fermions, comme, entre autres, les quarks dont sont faits les noyaux atomiques, et les électrons qui leur sont liés., et sa masse serait nulle ou en tout cas inférieure à environ 5×10−19 eV/.
L’énergie d’un photon de lumière visible est de l’ordre de , ce qui est extrêmement faible : un photon seul est invisible pour l’œil d'un animal et les sources de rayonnement habituelles (antennes, lampes, laser, etc.) produisent de très grandes quantités de photons, ce qui explique que la nature « granulaire » de l’énergie lumineuse soit négligeable dans de nombreuses situations étudiées par la physique. Il est cependant possible de produire des photons un par un grâce aux processus suivants : Émission spontanée ou stimulée ; transition nucléaire ; annihilation de paires particule-antiparticule.
Historique Origine du terme « photon » Le substantif masculin.. « photon » (prononcé en français standard) est dérivé de « photo- » avec le suffixe « -on ». La base « photo- » est tirée du grec ancien qui signifie « lumière » ()... Le suffixe « -on » est, quant à lui, tiré de la finale de « électron ».. « Photon » désigne les particules porteuses de la lumière et de l'énergie associée. Comme on le retrouve dans l'article d'Albert Einstein de , l'échange d'énergie quantifié entre la lumière et la matière a originellement été désigné par « quantum d'énergie » (Energiequantum) ou « quantum lumineux » (Lichtquant). On trouve une première trace du terme "photon" en dans une proposition du psychologue et psychophysiologiste américain Troland (-) pour désigner l'unité ultérieurement nommée le troland ou le luxon. Le terme fut ensuite repris dans le cadre d'études sur la physiologie de la perception visuelle : John Joly (-) a ainsi utilisé le nom de photon en , pour désigner l'énergie correspondant à un stimulus élémentaire allant de la rétine au cerveau. Dans ses publications le bio-chimiste René Wurmser (-) a aussi utilisé le terme. Il a été repris une fois par Frithiof (Fred) Wolfers (-) dans une note présentée à l'Académie des sciences par Aimé Cotton le dans son étude des bords frangés de l'ombre d'un objet opaque éclairé. Il a également été mis en avant par le chimiste Lewis (-) dans une lettre à Nature publiée le . C'est à cette époque que le terme "photon", fut largement adopté par la communauté scientifique.
En physique des particules et des hautes énergies, un photon est usuellement représenté par le symbole (lettre grecque gamma), en lien avec les rayons gamma découverts en 1900 par Paul Villard.. En 1914, Rutherford et Edward Andrade. démontraient que ces rayons gamma étaient bien du rayonnement électromagnétique, comme la lumière.
Développement de la notion de « quanta de lumière » La description de la lumière a suivi au cours de l’histoire un curieux mouvement de balancier entre une vision corpusculaire et une vision ondulatoire. Dans la plupart des théories jusqu’au , on considère que la lumière est constituée de particules. Bien que des modèles ondulatoires soient proposés par René Descartes (1637), Robert Hooke (1665). et Christian Huygens (1678), les modèles particulaires restent dominants, en partie en raison de l’influence d’Isaac Newton. Un changement de paradigme a lieu à partir de la mise en évidence des phénomènes d’interférences et de diffraction de la lumière par Thomas Young et Augustin Fresnel au début du , et en 1850 les modèles ondulatoires deviennent la règle à la suite de l'expérience menée par Léon Foucault sur la vitesse de propagation de la lumière. La prédiction par Maxwell en 1865 du fait que la lumière soit une onde électromagnétique Cet article suit une présentation par Maxwell à la Royal Society le 8 décembre 1864., suivie de la confirmation expérimentale de Hertz en 1888, semble porter un coup de grâce aux théories corpusculaires de la lumière.
La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend cependant pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l’énergie d’une onde lumineuse dépend seulement de l’amplitude de l’onde, mais pas de sa fréquence ; or de nombreuses expériences indiquent que l’énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l’amplitude. Par exemple, certaines réactions chimiques ne sont possibles qu’en présence d’une onde lumineuse de fréquence suffisante : en dessous d’une fréquence seuil, quelle que soit l’intensité incidente, la lumière ne peut amorcer la réaction. De manière similaire, dans l’effet photoélectrique, les électrons ne sont éjectés d’une plaque de métal qu’au-dessus d’une certaine fréquence, et l’énergie des électrons émis dépend de la fréquence de l’onde, et non de son amplitude. Dans le même ordre d’idée, les résultats obtenus à la fin du et au début du sur le rayonnement du corps noir du 11 décembre 1911. sont reproduits théoriquement par Max Planck en 1900 en supposant que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence ne peut recevoir ou émettre de l’énergie électromagnétique que par paquets de valeur bien déterminée égale à – ces paquets étant appelés des quanta du 2 juin 1920..
Puisque les équations de Maxwell autorisent n’importe quelle valeur de l’énergie électromagnétique, la plupart des physiciens pensaient initialement que cette quantification de l’énergie échangée était due à des contraintes encore inconnues sur la matière qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein fut le premier à proposer que la quantification de l’énergie soit une propriété de la lumière elle-même. Bien qu’il ne remette pas en cause la validité de la théorie de Maxwell, Einstein montre que la loi de Planck et l’effet photoélectrique pourraient être expliqués si l’énergie de l’onde électromagnétique était localisée dans des quanta ponctuels qui se déplaçaient indépendamment les uns des autres, même si l’onde elle-même était étendue continuement dans l’espace. Dans son article, Einstein prédit que l’énergie des électrons émis lors de l’effet photoélectrique dépend linéairement de la fréquence de l’onde. Cette prédiction forte sera confirmée expérimentalement par Robert Andrews Millikan en 1916, ce qui lui vaudra – parallèlement à ses expériences sur les gouttes chargées – le prix Nobel de 1923 du 23 mai 1924.. L’impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement par Arthur Compton, ce qui lui valut le prix Nobel de 1927.
Objections à l’hypothèse des quanta de lumière Pendant tout le début du cependant, la notion de photon reste discutée, principalement en raison de l’absence d’un formalisme permettant de combiner les phénomènes ondulatoires avec les phénomènes corpusculaires nouvellement découverts. Ainsi en 1913, dans une lettre de recommandation en faveur de l’admission d’Einstein à l’académie des sciences de Prusse, Planck écrit :
De nombreux effets mettant en évidence la nature quantifiée de la lumière peuvent en fait être également expliqués par une théorie semi-classique, dans laquelle la matière est quantifiée mais la lumière est considérée comme un champ électromagnétique classique. Parmi les phénomènes ainsi explicables, on peut par exemple citer l’existence d’un seuil dans l’effet photoélectrique, la relation entre l’énergie de l’électron émis et la fréquence de l’onde, le regroupement des photoélectrons dans un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, ainsi que la statistique poissonienne des comptes.. Contrairement à une idée répandue, l’effet photoélectrique n’est donc pas la preuve absolue de l’existence du photon (bien que certaines expériences sur l’effet photoélectrique ne puissent cependant pas être expliquées par une théorie semi-classique).
L’expérience de Compton donne une existence plus tangible au photon, puisque ce dernier montre que la diffusion des électrons par les rayons X s’explique bien en attribuant au photon le moment cinétique prédit par Einstein. Cette expérience marque une étape décisive, après laquelle l’hypothèse des quanta de lumière emporte l’adhésion de la majorité des physiciens. Dans une dernière tentative de sauver la variation continue de l’énergie électromagnétique et de la rendre compatible avec les expériences, Bohr, Kramers et Slater développent un modèle basé sur deux hypothèses drastiques Également dans Zeitschrift für Physik, 24, 69 (1924). : L’énergie et l’impulsion ne sont conservées qu’en moyenne, mais pas lors des processus élémentaires tels que l’absorption et l’émission de lumière. Cela permet de réconcilier le changement discontinu de l’énergie de l’atome avec les variations continues de l’énergie de la lumière ; La causalité est abandonnée. Par exemple, l’émission spontanée est simplement une émission induite par un champ électromagnétique « virtuel ».