• Comportement du chien et
    du chat
  • Celui qui connait vraiment les animaux est par là même capable de comprendre pleinement le caractère unique de l'homme
    • Konrad Lorenz
  • Biologie, neurosciences et
    sciences en général
  •  Le but des sciences n'est pas d'ouvrir une porte à la sagesse infinie,
    mais de poser une limite à l'erreur infinie
    • La vie de Galilée de Bertold Brecht

Modèle standard des particules
Photons : bosons de jauge de l'interaction électromagnétique

Sommaire
  1. Mécanique quantique
  2. Modèle standard des particules
    1. Vue d'ensemble
      1. Statistique de Fermi-Dirac
      2. Principe d'exclusion de Pauli
      3. Statistique de Bose-Einstein
      4. Antiparticules
        1. Annihilation particules/antiparticules
        2. Asymétrie baryonique de l'univers
          1. Vue d'ensemble
          2. Baryogenèse
    2. Atome
      1. Noyau
        1. Nucléons
          1. Neutron
          2. Proton
          3. Nombre de nucléons et tableau périodique
          4. Forces intervenant dans le noyau
        2. Structure nucléaire
          1. Modèle de la goutte liquide
            1. Vue d'ensemble
            2. Nombres magiques et vallée de la stabilité
          2. Modèle en couches
          3. Modèle du champ moyen
      2. Électrons
        1. Propriétés des électrons
        2. Orbitales et spin-orbitales
        3. Ionisation et ions
    3. Fermions
      1. Vue d'ensemble
      2. Quarks
        1. Vue d'ensemble
        2. Propriétés des quarks
        3. Saveurs des quarks
      3. Hadrons
        1. Baryons
          1. Vue d'ensemble
          2. Nombre baryonique
          3. Classification des baryons
            1. Baryons stables : nucléons
            2. Baryons instables
              1. Baryons Delta
              2. Baryons Lambda
              3. Baryons Sigma
              4. Baryons Xi
              5. Baryons Oméga
        2. Mésons
          1. Vue d'ensemble des mésons
          2. Propriétés des mésons
          3. Classification et liste des mésons
            1. Kaons
            2. Pions
      4. Leptons
        1. Vue d'ensemble
        2. Nombres leptoniques
        3. Propriétés des leptons
    4. Bosons
      1. Vue d'ensemble
      2. Gluons : bosons de jauge de l'interaction forte
        1. Propriétés des gluons
        2. Échanges de gluons
        3. Autres formes de gluons
      3. Photons : bosons de jauge de l'interaction électromagnétique
        1. Propriétés des photons
        2. Émission et absorpton de photons
        3. Particules et vitesse de la lumière
      4. Bosons W± et Z0 : bosons de jauge de l'interaction faible
      5. Boson de Higgs
        1. Mécanisme de Higgs
        2. Propriétés du boson de Higgs
    5. Réactions nucléaires
      1. Fusion
      2. Fission
      3. Radioactivité
      4. Photodesintegration
      5. Spallation
      6. Multifragmentation
    6. Rayonnements et interactions avec la matière
      1. Diffusion (ou choc)
      2. Rayonnements ionisants
      3. Interactions des rayonnements avec la matière
        1. interactions de photons avec la matière
        2. interactions des particules massives
  3. Interactions ou forces fondamentales
    1. Vue d'ensemble
      1. Interaction nucléaire forte
      2. Interaction électromagnétique
      3. Interaction faible
      4. Gravitation
    2. Comment expliquer que les soient portées par des particules ?
      1. Que se passe-il en mécanique quantique ?
      2. Paramètres libres
        1. Constantes de couplages
        2. Autres paramètres libres
    3. Chromodynamique quantique (QCD)
      1. Charges de couleur
        1. Couleurs des quarks
        2. Couleurs des gluons
        3. Changements de couleurs
      2. Isospin (fort ou spin isobarique)
    4. Électrodynamique quantique (QED)
      1. Vue d'ensemble
      2. Diagramme de Feynmann
    5. Interaction faible
      1. Propriétés de l'interaction faible
      2. Isospin faible
    6. Interaction électrofaible
    7. Gravitation
  4. Modèle de l'univers : Big Bang

Bibliographie

Les bosons, en tant que particules élémentaires, représentent des quanta d'énergie-impulsion qui constituent des interactions élémentaires ou fondamentales.

Photons

Les photons (\gamma$) sont les bosons de jauge de l'interaction électromagnétique.

Comme la plupart des avancées en mécanique quantique ont été réalisées grâce à la découverte du photon, la plupart de ses propriétés sont décrites dans l'article sur la dualité onde-corpuscule.

Spectre électromagnétique
Nom Longueur d'onde (m) Énergie
Basses fréquences 108 à 103 -
Moyennes fréquences 103 à 102 -
Hautes fréquences 102 à 10-1 -
Micro-ondes 10-1 à 10-3 12,4 Mev à 1,24 μeV
Infrarouge 10-3 à 0,750 x 10-6 12,4 MeV à 1,65 eV
Visible 0,750 à 0,390 x 10-6 1,65 eV à 3,2 eV
Ultraviolet 0,390 x 10-6 à 10-8 3,2 eV à 124 eV
Rayon X 10-8 à 10-12 124 eV à 124 keV
Rayon gamma < 10-12 > 124 kev

C'est le cas de l'explication du rayonnement du corps noir par Max Planck (1858-1947) qui présupposa les quanta, et de l'effet photo-électrique par Albert Einstein (1879-1955) avec ses quatre articles de 1905 qui révolutionnèrent la physique.

bien

Ce phénomène est à la base de la théorie quantique des champs utilisée dans l’électrodynamique quantique (QED), la théorie électrofaible ou le modèle standard.

Propriétés des photons

1. Sa masse et sa charge électrique est nulle : c'est sa propre antiparticule.

2. Son spin est égal à $1$.

Il existe uniquement deux projections, car la valeur $0$ est interdite par le fait que le photon est de masse nulle : il a donc une hélicité de $\pm1$.

Cône du photon
Cône du photon

3. Sa parité $\mathcal P$ est égale à $-1$.

4. Sa conjugaison de charge $\mathcal C=\eta_C^{\gamma}$ est égale à $-1$, ce qu'on peut déduire de la désintégration du pion neutre $\pi^0$ :

$\pi^0\rightarrow\gamma+\gamma$, et donc, $\eta_C^{\pi^0}=(\eta_C^{\gamma})^2=1$.

5. Sa durée de vie est de 1018 ans : ce sont des particules stables.

6. Leur énergie dépend de leur fréquence $\nu$ (nu en grec).

Les photons peuvent être très énergétiques (rayons X ou gamma).

7. Les photons d'une onde monochromatique possède (cf. notion d'onde) :

  • une vitesse $c$ (" c " comme célérité) qui est la vitesse de la lumière dans le vide est de 299 792 458 ms-1.
  • une énergie $E=h\nu=\dfrac{hc}{\lambda}$, où $\nu$ est la fréquence de l'onde,
  • une énergie en relativité restreinte, $E^2=c^2p^2+m^2c^4$, et comme la masse du photon est nulle, l'énergie est donc de $e=c\cdot p$ ;
  • Spectre atomique de l'hydrogène et série de Balmer
    Spectre atomique de l'hydrogène et série de Balmer
    (Figure: vetopsy.fr)
    une quantité de mouvement $p=\hbar k$, ou $k=2\pi/\lambda$ est appelé vecteur d'onde.

Émission ou absorption
des photons

Émission de photon

Les photons sont émis de plusieurs manières :

Le soleil émet des photons de toutes les fréquences depuis l'infrarouge jusqu'à l'ultraviolet.

Absorption de photon

Les photons ne sont détectés que grâce à leurs interactions avec la matière.

  • Ils cèdent leur énergie en totalité ou en partie au milieu qu’ils traversent.
  • La matière traversée subit des modifications dues au passage des radiations.
Effet Photoélectrique
Effet Photoélectrique
(Figure : vetopsy.fr)

1. Lorsque un photon de basse énergie est absorbé (E < 10 eV), il excite un électron qui passe à un niveau énergétique supérieur (cf. couches électroniques).

2. Lorsque un photon de haute énergie est absorbé (E > 10 eV), il est capable d'arracher cet électron à l'atome pour le ioniser : on parle alors de rayonnement ionisant (cf. chapitre spécial).

Les rayons X et les rayons gamma interagissent avec la matière par plusieurs processus (cf. chapitre spécial) :

Les rayonnements ionisants sont provoqués par d'autres particules que des photons hautement énergétiques comme les rayons X ou gamma. On trouve aussi :

Particules et vitesse de la lumière

Depuis 1905 et la théorie de la relativité restreinte d'Albert Einstein (1879-1955) on sait que la vitesse de la lumière est constante et infranchissable dans le modèle standard.

Trajectoire des photons s'éloignant du soleil
Trajectoire des photons s'éloignant du soleil
(Figure : CNRS)

On peut définir trois groupes de particules selon leur vitesse par rapport à $c$, la vitesse de la lumière dans le vide (299 792 458 ms-1).

1. Un bradyon (brady, " lent " en grec) de masse non nulle, se déplace moins vite que $c$, la vitesse de la lumière dans le vide est de 299 792 458 ms-1,

2. Un luxon, de masse nulle, comme le photon, les gluons et l'hypothétique graviton, se déplacent à la vitesse de la lumière,

3. Un tachyon, particule hypothétique, plus vite que $c$, de masse d'un nombre imaginaire pur ($ia$, i étant l'unité imaginaire et $a$, un nombre réel).

W± et Z0 : bosons de jauge de l'interaction faible

Bibliographie
  • Pas de bibliographie disponible