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Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

  1. Teknic

    Date d'inscription
    mai 2010
    Messages
    522

    Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

    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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  2. Deedee81

    Date d'inscription
    octobre 2007
    Localisation
    Courcelles - Belgique
    Âge
    55
    Messages
    29 423

    Re : Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

    Salut,

    Citation Envoyé par Teknic Voir le message
    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).

    Citation Envoyé par Teknic Voir le message
    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.

    Citation Envoyé par Teknic Voir le message
    2 - Peut-on dire que toutes les antennes émettrices produisent des photons ?
    Oui.

    Citation Envoyé par Teknic Voir le message
    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
    Tout est relatif, et cela seul est absolu. (Auguste Comte)
     

  3. f6bes

    Date d'inscription
    février 2005
    Localisation
    Nimes Age: 73000 millions de kms autour du soleil !!
    Messages
    52 305

    Re : Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

    Citation Envoyé par Teknic Voir le message
    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...

    .
    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
    Ce fut la goutte d'eau de trop qui mit le feu aux poudres!
     

  4. LegendOfyoda

    Date d'inscription
    septembre 2013
    Localisation
    Lannion, Côtes D'armor (22) - Bretagne
    Messages
    33

    Re : Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

    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
     

  5. Paradigm

    Date d'inscription
    août 2014
    Messages
    297

    Re : Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

    Bonjour Teknic, Bonjour à tous

    Citation Envoyé par Teknic Voir le message

    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,
    Dernière modification par Paradigm ; 02/01/2018 à 14h07.
     


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  6. Teknic

    Date d'inscription
    mai 2010
    Messages
    522

    Re : Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

    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?
    Dernière modification par Teknic ; 02/01/2018 à 19h41.
     

  7. Teknic

    Date d'inscription
    mai 2010
    Messages
    522

    Re : Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

    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.... ?
     

  8. gwgidaz

    Date d'inscription
    décembre 2014
    Localisation
    Caussade, tarn-et-garonne
    Messages
    1 248

    Re : Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

    Citation Envoyé par Teknic Voir le message

    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....
     

  9. Teknic

    Date d'inscription
    mai 2010
    Messages
    522

    Re : Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

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

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

  10. Mickey-l.ange

    Date d'inscription
    octobre 2014
    Messages
    1 120

    Re : Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

    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 ?
     

  11. Deedee81

    Date d'inscription
    octobre 2007
    Localisation
    Courcelles - Belgique
    Âge
    55
    Messages
    29 423

    Re : Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

    Salut,

    Citation Envoyé par Mickey-l.ange Voir le message
    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 ???
    Tout est relatif, et cela seul est absolu. (Auguste Comte)
     

  12. Mickey-l.ange

    Date d'inscription
    octobre 2014
    Messages
    1 120

    Re : Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

    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.
    Dernière modification par Mickey-l.ange ; 16/01/2018 à 14h24.
     

  13. Deedee81

    Date d'inscription
    octobre 2007
    Localisation
    Courcelles - Belgique
    Âge
    55
    Messages
    29 423

    Re : Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

    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.
    Tout est relatif, et cela seul est absolu. (Auguste Comte)
     

  14. pm42

    Date d'inscription
    juillet 2015
    Messages
    4 358

    Re : Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

    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
     

  15. gwgidaz

    Date d'inscription
    décembre 2014
    Localisation
    Caussade, tarn-et-garonne
    Messages
    1 248

    Re : Ondes électromagnétiques, photons et autres questions...

    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...
     


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