Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

[Teknic]

Bonjour à tous,


la lumière visible, les rayons X, les ondes radios, le rayonnement infrarouge... sont toutes des ondes électromagnétiques qu'on peut catégoriser par leurs longueurs d'onde. Une affirmation vraie que j'ai pourtant eu du mal à digérer quand j'étais étudiant.

Ce que je ne comprenais pas, et que je n'ai toujours pas complètement saisi c'est pourquoi on utilise des objets aussi dissemblables que la Led ou l'antenne pour produire la même chose: une onde électromagnétique. Aussi j'ai quelques questions...

1 - Pourrait-on "théoriquement" produire une lumière visible avec une antenne pourvu que sa dimension soit adaptée ? (Une dimension évidemment nanoscopique )


A propos des photons:

2 - Peut-on dire que toutes les antennes émettrices produisent des photons ?

3 - Qu'est ce qui différencie un "photon rouge" d'un "photon vert"? J' ai cru comprendre que le "débit" des photons est en corrélation avec la longueur d'onde.


Merci pour vos réponses.
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[Deedee81]

Salut,

Ce que je ne comprenais pas, et que je n'ai toujours pas complètement saisi c'est pourquoi on utilise des objets aussi dissemblables que la Led ou l'antenne pour produire la même chose: une onde électromagnétique. Aussi j'ai quelques questions...

C'est essentiellement pour des raisons d'énergies. La différence d'énergie entre un photon X et un photon radio est considérable. Il n'est donc pas si étonnant que les phénomènes physiques concernés (par les effets, l'absorption, l'émission) soient si différents. A cela s'ajoute aussi des phénomènes liés au comportement ondulatoire. Cela va des longueurs d'onde du l'ordre du nanomètre au kilomètre !!! Quand on sait qu'une antenne a le maximum d'efficacité pour une longueur d'une demi-longueur d'onde, on comprend aisément que les mécanismes soient là aussi très différents.

Un exemple : la lumière visible ne concerne qu'une bande relativement faible fenêtre du spectre électromagnétique. Et ça, c'est simplement parce que les énergie en jeu dans les processus photo-chimiques sont de l'ordre de l'énergie des photons visibles (et aussi des infrarouges et des ultraviolets, les abeilles voient très biens les UV A. Ca dépend évidemment des molécules sélectionnées par la nature et dans le cas de nos yeux, avec la rhodopsine, c'est du rouge au violet).

1 - Pourrait-on "théoriquement" produire une lumière visible avec une antenne pourvu que sa dimension soit adaptée ? (Une dimension évidemment nanoscopique )

Théoriquement, oui. D'ailleurs, on fabrique facilement des métamatériaux dans le domaine des ondes radios (matériaux comprenant des structures répondant de manière adéquate aux champs électriques et magnétiques), mais c'est beaucoup plus difficile dans le domaine optique où ces structures doivent avoir une taille nanométrique.

2 - Peut-on dire que toutes les antennes émettrices produisent des photons ?

Oui.

3 - Qu'est ce qui différencie un "photon rouge" d'un "photon vert"? J' ai cru comprendre que le "débit" des photons est en corrélation avec la longueur d'onde.

Un photon n'est pas un petit corpuscule.? J'estime que sa meilleure description est "une onde sinusoïdale (*) ou un petit paquet d'ondes". Et donc il est caractérisé par une longueur d'onde (éventuellement imprécise, MQ oblige ou tout simplement la mécanique ondulatoire puisqu'un parquet d'ondes n'a pas de longueur d'onde infiniment précise, ce n'est pas une onde sinusoïdale).
(*) ce cas là est plutôt une idéalisation, une onde n'étant jamais éternelle. Mais souvent utilisé dans la construction théorique. Un paquet d'ondes n'est jamais qu'une superposition d'ondes sinusoïdales (merci Monsieur Fourrier ) ou plus exactement ici une superposition quantique, mais c'est (presque) kif.

Le débit c'est :
puissance émise divisé par énergie du photon : P / h.nu

[f6bes]

Ce que je ne comprenais pas, et que je n'ai toujours pas complètement saisi c'est pourquoi on utilise des objets aussi dissemblables que la Led ou l'antenne pour produire la même chose: une onde électromagnétique. Aussi j'ai quelques questions...

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Bjr à toi ,
On utilise les moyens ADAPTES à l'usage que l'on veut en faire.
Pour se déplacer on utilise TOUT autant des moyens AUSSI dissemblables.
Et pourtant c'est pour faire la MEME chose...se déplacer... à pieds, en trotinette, à vélo
en voiture; en bateau, en avion, en fusée....etc..
Pourvu que l'on s'en donne les moyens ADAPTES...y a pas de probléme.
Bonne journée

[LegendOfyoda]

Bonjour à tous,

Deedee a répondu parfaitement aux première questions.

La dernière est plus compliquée, c'est sur, je vais essayer de ne pas rentrer dans les détails.

Un photon, c'est un corpuscule (en gros, un objet, mais tout petit et sans masse) qui a le comportement d'une onde. On peut donc le modéliser des 2 manières, on parle de dualité onde-corpuscule.

Ce corpuscule contient une énergie, comme tous les atomes. C'est cette énergie qui définie exactement la couleur perçue par l'oeil.
Plus le photon va être énergétique, plus il va vibrer rapidement (c'est pour cela qu'on parle de sinusoide, car c'est une vibration). Par exemple, si vous touchez légèrement une corde de guitarre, vous entendrez un son grave, et si vous recommencer avec plus de force, vous irez vers les aigus. En regardant avec une caméra adaptée, vous verrez la corde vibrer de façon sinusoidale.

Exemple: https://www.youtube.com/watch?v=z5OOqKV_ols

Plus il y a de périodes (une vague dans la corde) plus la fréquence est élevée, et plus l'énergie est grande.

Donc un photon avec plus d'énergie a donc une fréquence plus élevée. De là j'en reviens à la formule proposée (adaptée):
Energie d'un photon = constante de plank * fréquence du photon ( E= h.nu).

Hors la vitesse de la lumière est divisée par l'indice du milieu (n). C'est important, car la fréquence et la longueur d'onde (L) ont une relation directe:
L = V/nu avec V=c/n

Ce que j'appel V, c'est la vitesse de la lumière dans un milieu. Pour donner un exemple, l'indice d'un gaz sera proche de 1, un liquide de 1,3 et un solide supérieur à 1,4 (en général, c'est pas toujours le cas).
La longueur d'onde n'est donc jamais la même, il faut donc éviter faire le lien entre la couleur et la longueur d'onde (sauf en précisant le milieu, habituellement, on parle du vide)

L'oeil, lui, est un capteur. Il va dire au cerveau de donner un couleur pour une fréquence donnée. En fait, il va recevoir une quantité d'énergie et dire "ben, ça c'est du bleu" et donc le cerveau va voir du bleu. En fait c'est plus compliqué que ça.

Il y a 3 capteurs différents (c'est inexact il y en a 6, mais 3 suffisent pour expliquer le principe). Chacun réagis comme une photodiode qui transforme une lumière en signal électrique, mais chacun est sensible sur un domaine précis. Le cerveau récupère les données des 3 capteurs et en fonction de l'énergie électrique transmise, il va trouver la couleur exacte.

Ce trio de capteur, il y en a pleins, comme sur le capteur d'une caméra. Au final, quand on parle d'un photon rouge ou bleu, c'est juste que le cerveau l’interprète de cette manière. Au final, c'est comme si les 2 étaient des voitures, le photon bleu est une aston-martin et le photon rouge une clio, dans l'idée c'est pareil, mais l'énergie ne sera pas la même!

J'éspère ne pas t'avoir embrouillé et avoir été complet

[A voir en vidéo sur Futura]

[Paradigm]

Bonjour Teknic, Bonjour à tous

3 - Qu'est ce qui différencie un "photon rouge" d'un "photon vert"? J' ai cru comprendre que le "débit" des photons est en corrélation avec la longueur d'onde.

La couleur (l'expérience vécu à la première personne : rouge, vert,rose, ... l'effet et non une cause physique possible) n'est pas dans la liste des propriétés qui caractérisent physiquement le concept de "photon" (quanta d'énergie). Les propriétés physiques qui caractérisent un photon sont plutôt : la longueur d'onde, l'impulsion, la polarisation .... https://en.wikipedia.org/wiki/Photon_polarization






...

Cordialement,

[Teknic]

Ok merci à vous tous, je crois avoir a peu près tout compris.

Déjà je réalise que le photon est toujours associé à une fréquence, ce qui ne semblait pas une évidence depuis le point de vue corpusculaire.

Hum... un dernier point pas clair: est-ce que chaque onde électromagnétique est interprétable comme un unique photon ou au contraire, la même onde peut être considérée comme un chapelet de photons?


Enfin un petit bémol sur les explications de Yoda: non, ce n'est pas parce qu'on frappe une corde plus fort que celle-ci émet une note plus aigue, au mieux elle générera plus d'harmoniques. Sinon on pourrait faire des pianos avec seule une touche! CQFD.
La fréquence de résonance d'une corde instrumentale dépend plutôt de sa longueur et non de l'amplitude de sa vibration. Il ne faut pas se faire avoir par la vidéo qui présente un effet de battement.
Malgré ce point litigieux (il ne faut pas me chercher sur la théorie musicale ) je comprends bien le rapport énergie/fréquence que tu expliques.

Pour en revenir aux photons, existe t'il des fréquences limites, ou encore existe t'il des limitations à la taille d'une onde électromagnétique?

[Teknic]

En relisant le fil je m'aperçois que je n'avais pas tilté sur les paquets d'ondes, Fourrier etc... qu'avait posté Deedee.

Donc en tenant compte de ça on peut dire qu'un paquet d'onde correspond à un unique photon et qu'une même onde ne peut pas "révéler" plusieurs photons.... ?

[gwgidaz]

Donc en tenant compte de ça on peut dire qu'un paquet d'onde correspond à un unique photon et qu'une même onde ne peut pas "révéler" plusieurs photons.... ?

Bonjour,

Attention, "paquet d'onde" a un sens bien précis .
En général, une onde d'énergie conséquente correspond à une quantité de pphotons astronomique ! il suffit de faire le rapport entre l'énergie d'une onde pendant un temps donné ( W = Pt ) et l'énergie d'un photon w = h.nu pour trouver le nombre de photons.

Deux remarques :

- plus la fréquence est basse, plus l'énergie du photon est petite. Si les variations d'un champ sont de plus en plus lentes, alors l'énergie des photons tend vers zéro et leur nombre tend vers l'infini.

- On ne constate l'existence de photons que lorsque l'onde interagit avec autre chose. En d'autres termes, il n'est pas légitime de postuler l'existence des photons lors de la propagation d'une onde dans l'espace. Il faut voir le photon comme une unité minimale d'échange d'énergie dans le cas d'une interaction électromagnétique. Un peu comme le centime est l'unité minimale d'échange de valeur lors d'une interaction bancaire. Je ne peux acheter ou vendre que des valeurs correspondant à un nombre entier de centimes... Le reste n'est pas échangeable.

Il résulte de ces remarques qu'il n'est pas LEGITIME de considérer les photons comme des particules au sens où notre esprit imagine une particule, c'est à dire une petite bille qui traverse l'espace. Cette image erronée du photon conduit à tous les paradoxes possibles....

[Teknic]

L'analogie avec la pièce est très parlante. Merci.

Merci encore à tous, j'aurai appris quelque chose ces jours-ci.

[Mickey-l.ange]

Bonjour,

Je profite de cette discussion sur les ondes et les indices pour poser une question.

Dans le n° 547 de Ciel et espace de mai-juin 2016, dans l'article "Sérendipité et science en marche" p. 46 je lis à propos des pulsars et de leurs émissions radio :

Comme les ondes électromagnétiques se propagent d'autant plus vite entre le pulsar et l'observateur que leur fréquence est élevée, les impulsions émises à large bande sont reçues "dispersées", les hautes fréquences arrivant avant les basses.

Cela signifie-t-il que l'indice du vide n'est pas exactement égal à 1, par exemple pour cause de présence de gaz ou de poussière ?

[Deedee81]

Salut,

Cela signifie-t-il que l'indice du vide n'est pas exactement égal à 1, par exemple pour cause de présence de gaz ou de poussière ?

Non. Et je comprend assez mal la phrase d'ailleurs. Qu'est-ce que la dispersion à avoir avec le temps de transmission ???

[Mickey-l.ange]

J'avais eu la paresse de copier tout le paragraphe, croyant qu'il s'agissait d'une propriété connue. Je rectifie donc :

" (...)
Comme les ondes électromagnétiques se propagent d'autant plus vite entre le pulsar et l'observateur que leur fréquence est élevée, les impulsions émises à large bande sont reçues "dispersées", les hautes fréquences arrivant avant les basses.
Cette dispersion caractéristique est aussi une mesure de la distance de la source, car le retard dt entre la détection de l'impulsion à la fréquence f et sa réception à une fréquence très élevée est proportionnel à DM/f², où DM est la "mesure de dispersion", densité moyenne d'électrons libres multipliée par la distance entre le pulsar et l'observateur.
Pour découvrir de nouveaux pulsars, on pointe un radiotélescope vers une région quelconque du ciel, et on enregistre le signal dans une large bande spectrale découpée en nombreux canaux que l'on échantillonne à un rythme rapide (environ 1 000 fois/s).
On "dédisperse" alors le signal (on corrige par calcul la dispersion ci-dessus) et on le somme sur toutes les fréquences observées, en testant de nombreuses valeurs de DM. Quand on tombe sur la "bonne" valeur (correspondant à une source dans le faisceau du radiotélescope), des impulsions périodiques apparaissent. Pour un pulsar dans notre galaxie. DM n'excède pas environ 200, sauf dans la direction du plan galactique.
(...) "
Philippe Zarka

Je me demandais donc si ce facteur DM "densité moyenne d'électrons libres" ne correspondait pas en quelque sorte à une variation de n ou quelque chose de ce genre.

[Deedee81]

Ah tiens, là oui, c'est intéressant. Je n'aurais pas pensé que la densité d'électrons libres dans l'espace interstellaire pouvait avoir une telle influence.
Et ça sort de mon domaine de compétence.

Quelqu'un d'autre ici saura peut-être donner plus d'explications.

[pm42]

Pareil, je viens d'apprendre quelque chose. C'est bien documenté si on tape "pulsar free electrons" et même sur la page Wikipedia :
https://en.wikipedia.org/wiki/Pulsar...stellar_medium

[gwgidaz]

Bonjour,

Il fallait s'y attendre un peu. Sur des milliers d'années, il ne faut pas beaucoup de dispersion pour avoir un décalage mesurable...

[Mickey-l.ange]

Bonjour,

Je répète ma question naïve : peut-on considérer que c'est l'indice du vide qui n'est pas rigoureusement égal au n = 1 théorique (même si c'est de très peu) ?

[pm42]

Je répète ma question naïve : peut-on considérer que c'est l'indice du vide qui n'est pas rigoureusement égal au n = 1 théorique (même si c'est de très peu) ?

Non. Parce que justement, si on croise des électrons, ce n'est plus du vide.
C'est la même chose que quand tu croises un nuage de poussière en encore plus diffus.

[Mickey-l.ange]

Non. Parce que justement, si on croise des électrons, ce n'est plus du vide.

Le milieu interstellaire, voulais-je dire.
Peut-on dire que l'indice du milieu interstellaire varie localement, et donc la vitesse des ondes électromagnétiques ?

[C2H5OH]

Un photon, c'est un corpuscule (en gros, un objet, mais tout petit

Bonjour à tous,


Même en dehors de toute interaction? On m'a appris que c'était le quantum d'échange d'énergie électromagnétique , et qu'on ne pouvait le considérer comme particule que lorsqu'il y a interaction, échange d'énergie.
Donc en dehors de toute mesure, et en dehors d'échange, c'est une onde électromagnétique. Non ?

[Nicophil]

Bonjour,

Bonjour,

Attention,"paquet d'onde" a un sens bien précis.

Peux-tu nous en dire plus, je reste sur ma faim : https://fr.wikipedia.org/wiki/Paquet...ain_d'onde

[Nicophil]

Un photon, c'est un corpuscule (en gros, un objet, mais tout petit et sans masse) qui a le comportement d'une onde. On peut donc le modéliser de 2 manières, on parle de dualité onde-corpuscule.

Un photon est une particule, on ne peut guère parler de corpuscule, contrairement au cas d'une molécule ou même d'un proton voire d'un électron.
On peut modéliser la lumière de 2 manières : le modèle ondulatoire et le modèle photonique, on parle de dualité onde-photons.

[C2H5OH]

Un photon est une particule, on ne peut guère parler de corpuscule, contrairement au cas d'une molécule ou même d'un proton voire d'un électron.
On peut modéliser la lumière de 2 manières : le modèle ondulatoire et le modèle photonique, on parle de dualité onde-photons.

Bonjour à tous;

Il me semble que ce n'est une particule que lors d'une interaction électromagnétique. ( chaque force possède sa particule d'échange)
Lors de la propagation en espace libre, la lumière est une onde électromagnétique, le modèle photonique conduit à des paradoxes.

[coussin]

Bonjour à tous;

Il me semble que ce n'est une particule que lors d'une interaction électromagnétique. ( chaque force possède sa particule d'échange)
Lors de la propagation en espace libre, la lumière est une onde électromagnétique, le modèle photonique conduit à des paradoxes.

Pas vraiment, non.
Voyez le photon comme le quantum d'amplitude de l'onde. Il y a une onde électromagnétique qui possède une certaine amplitude (pensez à l'amplitude comme la différence entre des ampoules très brillantes ou pas). On pourrait penser que l'amplitude de cette onde est une quantité continue, eh bien non. L'amplitude est nécessairement un nombre entier de photons. Une ampoule "de tous les jours" génère une onde contenant des milliards de milliards de photons.

[C2H5OH]

Pas vraiment, non.
Voyez le photon comme le quantum d'amplitude de l'onde. Il y a une onde électromagnétique qui possède une certaine amplitude (pensez à l'amplitude comme la différence entre des ampoules très brillantes ou pas). On pourrait penser que l'amplitude de cette onde est une quantité continue, eh bien non. L'amplitude est nécessairement un nombre entier de photons. Une ampoule "de tous les jours" génère une onde contenant des milliards de milliards de photons.

Amplitude ou énergie de l'onde? ( carré d'amplitude) Du fait que le nombre de photon est proportionnel à l'énergie, il me semble que chacun des "deltas" d'amplitude ne correspondent pas à des photons...plutôt des deltas d' energie ?

[Nicophil]

le modèle photonique conduit à des paradoxes.

C'est principalement (voire uniquement ?) le phénomène d'interférence destructive qui pose problème. Et encore, comme de nos jours on réalise des interférences avec des molécules...

[Nicophil]

Amplitude ou énergie de l'onde? ( carré d'amplitude)

L'intensité du rayonnement est un flux d'énergie surfacique (en J par m² et par s).
Elle est proportionnelle au carré de l'amplitude de l'onde, qui se mesure en V/m ou en teslas.

Cela correspond à un flux d'un certain nombre de photons par m² et par s. Et si le rayonnement est monochromatique, les photons ont tous la même énergie, proportionnelle (constante de Planck) à la fréquence de l'onde.

Si le rayonnement est isotrope, l'amplitude diminue en 1/r, l'intensité en 1/r², le flux de photons en 1/r².

[C2H5OH]

OK,
ça veut dire que pour chaque photon rajouté à l'onde, cette puissance augmente par paliers égaux.
Ce qui n'est pas le cas de l'amplitude . La proportionalité du nombre de photons est par rapport à la puissance