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collisions entre photons



  1. #1
    meteor31

    collisions entre photons


    ------

    bonjour,

    je pense que ce sujet a été déjà abordé sur FS mais néanmoins peut-être pas sous l'aspect suivant.

    Dans le cas du système soleil et Terre, considérés, pour simplifier, comme 2 corps noirs, je prétends que, si bien entendu le Soleil réchauffe puissamment la Terre par rayonnement, cette dernière émet également un rayonnement IR, issu de la transformation du rayonnement solaire, vers le Soleil et contribue à réchauffer ce dernier (ou plutôt à l'empêcher de refroidir) de façon infinitésimale certes mais, théoriquement en tous cas, possible.

    On me répond que non.

    Le flux solaire est tel que les photons ou ondes qui le constituent sont suffisamment puissants pour "repousser" , "détourner", "inhiber" le faible flux qui vient de la Terre.

    J'ai déjà entendu parler de "collisions" possibles entre photons mais par l'intermédiaire des paires électron/positon créées lors de la "décomposition" d'un photon mais que de toute façon la section efficace de collision était extrèmement faible.

    quelqu'un, ayant un avis plus documenté que le mien, pourrait-il me renseigner à ce sujet?

    merci d'avance.

    -----

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  3. #2
    Deedee81
    Modérateur

    Re : collisions entre photons

    Citation Envoyé par meteor31 Voir le message
    Dans le cas du système soleil et Terre, considérés, pour simplifier, comme 2 corps noirs, je prétends que, si bien entendu le Soleil réchauffe puissamment la Terre par rayonnement, cette dernière émet également un rayonnement IR, issu de la transformation du rayonnement solaire, vers le Soleil et contribue à réchauffer ce dernier (ou plutôt à l'empêcher de refroidir) de façon infinitésimale certes mais, théoriquement en tous cas, possible.

    On me répond que non.
    Bonjour meteor,

    Qui a dit non ?
    Car en effet, tu as raison, même si c'est totalement négligeable.

    Citation Envoyé par meteor31 Voir le message
    Le flux solaire est tel que les photons ou ondes qui le constituent sont suffisamment puissants pour "repousser" , "détourner", "inhiber" le faible flux qui vient de la Terre.
    La section efficace photon-photon est tellement faible que ce n'est pas possible.

    Quand au vent solaire, il est peu dense (sinon il masquerait aussi le Soleil).

    Par contre, il se peut que ça n'échaufferait (de manière infime) que la fine couche extérieure du Soleil qui, elle, est rapidement éjectée (vent solaire). Je n'en sais rien.

    Citation Envoyé par meteor31 Voir le message
    J'ai déjà entendu parler de "collisions" possibles entre photons mais par l'intermédiaire des paires électron/positon créées lors de la "décomposition" d'un photon mais que de toute façon la section efficace de collision était extrèmement faible.
    Oui, c'est ça, tout à fait.

    La formule est dans Quantum Field Theory de Claude Itzykson et Jean-Bernard Zuber. Mais un ordre de grandeur serait plus parlant.
    Quelqu'un connait ça ici ?
    Merci,

  4. #3
    Jeanpaul

    Re : collisions entre photons

    Citation Envoyé par meteor31 Voir le message
    Le flux solaire est tel que les photons ou ondes qui le constituent sont suffisamment puissants pour "repousser" , "détourner", "inhiber" le faible flux qui vient de la Terre.
    C'est une blague : les photons n'interagissent pas entre eux, au moins dans le vide. Dans la matière, il existe l'optique non-linéaire mais c'est autre chose.
    A propos des échanges de rayonnement entre la Terre et le soleil, on raconte une bonne histoire et je crains qu'elle soit vraie :
    Quand on a construit le four solaire d'Odeillo dans les Pyrénées, certains ont laissé entendre qu'on pourrait atteindre des températures de plusieurs millions de degrés et aller jusqu'à la fusion nucléaire. Bien entendu, cela était faux, au mieux on pouvait atteindre la température de la surface du soleil car le rayonnement allant dans les deux sens, il se crée un équilibre. C'est le principe de Carnot qui veut ça.

  5. #4
    Deedee81
    Modérateur

    Re : collisions entre photons

    Salut Jean-Paul,

    Citation Envoyé par Jeanpaul Voir le message
    C'est une blague : les photons n'interagissent pas entre eux, au moins dans le vide. Dans la matière, il existe l'optique non-linéaire mais c'est autre chose.
    Si, il y a aussi interaction dans le vide, mais la section efficace est infime. Ca faut bien l'avouer !

    Citation Envoyé par Jeanpaul Voir le message
    A propos des échanges de rayonnement entre la Terre et le soleil, on raconte une bonne histoire et je crains qu'elle soit vraie :
    Quand on a construit le four solaire d'Odeillo dans les Pyrénées, certains ont laissé entendre qu'on pourrait atteindre des températures de plusieurs millions de degrés et aller jusqu'à la fusion nucléaire. Bien entendu, cela était faux,
    Je suis d'accord jusqu'ici mais pas avec ça:

    Citation Envoyé par Jeanpaul Voir le message
    au mieux on pouvait atteindre la température de la surface du soleil car le rayonnement allant dans les deux sens, il se crée un équilibre. C'est le principe de Carnot qui veut ça.
    Deux objections :
    1) Qui te dit que cela fonctionne à l'équilibre ? (tu dis que le rayonnement va dans les seux sens, c'est faux : il peut le faire, mais ne le fait pas, le rayonnement ne retourne pas vers le Soleil).
    2) Si tu focalises les rayons lumineux, la température apparente peut grimper extrêmement fort et la chaleur s'accumulant (fonctionnement HORS équilibre), ça peut monter haut.

    Bien entendu, atteindre des dizaines de milliers de degrés, là je crois qu'on peut se brosser (en plus, suffit pas de chauffer très fort pour avoir une fusion thermonuclaire, faut aussif confiner suffisament).

    De plus, je suis pas spécialiste en four solaire (pour la production d'électricité), mais il se peut que là on fonctionne quasiment en régime d'équilibre thermique. C'est le raisonnement qui m'a fait tiquer, pas la conclusion

  6. A voir en vidéo sur Futura
  7. #5
    meteor31

    Re : collisions entre photons

    Citation Envoyé par Deedee81 Voir le message
    Bonjour meteor,

    Qui a dit non ?
    Car en effet, tu as raison, même si c'est totalement négligeable.
    merci de ta réponse
    le "non" en question provient d'un gars sur un forum où je me démène avec quelques autres pour défendre la notion d'effet de serre..
    Tiens si tu as le courage je te donne le lien

  8. #6
    Deedee81
    Modérateur

    Re : collisions entre photons

    Citation Envoyé par meteor31 Voir le message
    merci de ta réponse
    le "non" en question provient d'un gars sur un forum où je me démène avec quelques autres pour défendre la notion d'effet de serre..
    Tiens si tu as le courage je te donne le lien
    Re,

    Merci. De toute façon, je ne crois pas que cela change grand chose à la problématique d'effet de serre (le "réchauffement" éventuel du Soleil étant infinitésimal).

    Pour ce qui est de ma réponse à Jean-Paul, j'ai été trop prudent et j'ai dit une bêtise. L'équilibre des températures est faux même à l'équilibre !!!! (on n'est pas vraiment dans une situation à la Carnot !)

    Soit deux corps noir, l'un de surface et température , l'autre . A l'équilibre, le flux d'énergie rayonnée est proportionnel à la puissance quatrième de la température. Si les deux corps échangent tout leur rayonnement (quel que soit le moyen d'y parvenir) on aura :

    Donc, des températures différentes pour des surfaces différentes (ce qui est identique c'est la rempérature apparente).

    Donc, si on focalise les rayons .... Evidemment, on ne perçoit qu'une partie des rayons solaires (plus exactement, le rayonnement étant "sphérique", vu la distance du Soleil, il y a déjà une surface apparente fortement diminuée, heureusement d'ailleurs, sinon on aurait chaud aux f.... ). Bon, je ne fais pas le calcul exact, mais je suis certain qu'on peut atteindre des température arbitrairement élevée (mais, vu la difficulté de confinement, je doute qu'on puisse atteindre des millions de degrés, faut pas rêver , il y a aussi une question d'interaction thermique avec l'environnement du corps chauffé).

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  10. #7
    Coincoin

    Re : collisions entre photons

    Salut,
    J'aurais tendance à être d'accord avec Jeanpaul. Ce qui caractérise un corps noir, c'est la luminance. Or la luminance est une grandeur conservée dans un système optique. Donc au plus chaud, ton système émettra une luminance égale à celle qu'il reçoit, c'est-à-dire qu'il aura au maximum la température du corps qui le chauffe.
    La faille de ton raisonnement vient du fait que tu considères les surfaces mais pas les angles. Or si tu focalises sur une plus petite surface, tu changes l'angle solide du faisceau (c'est ce que traduit la conservation de la luminance, qui provient directement de celle de l'étendue géométrique)
    Encore une victoire de Canard !

  11. #8
    Chip

    Re : collisions entre photons

    Citation Envoyé par Deedee81 Voir le message
    Bon, je ne fais pas le calcul exact, mais je suis certain qu'on peut atteindre des température arbitrairement élevée (mais, vu la difficulté de confinement, je doute qu'on puisse atteindre des millions de degrés, faut pas rêver , il y a aussi une question d'interaction thermique avec l'environnement du corps chauffé).
    Eh non, c'est impossible... sujet abordé ici http://forums.futura-sciences.com/thread51349.html et là http://forums.futura-sciences.com/thread38401.html

  12. #9
    Deedee81
    Modérateur

    Re : collisions entre photons

    Citation Envoyé par Coincoin Voir le message
    Salut,
    J'aurais tendance à être d'accord avec Jeanpaul. Ce qui caractérise un corps noir, c'est la luminance. Or la luminance est une grandeur conservée dans un système optique. Donc au plus chaud, ton système émettra une luminance égale à celle qu'il reçoit, c'est-à-dire qu'il aura au maximum la température du corps qui le chauffe.
    La faille de ton raisonnement vient du fait que tu considères les surfaces mais pas les angles. Or si tu focalises sur une plus petite surface, tu changes l'angle solide du faisceau (c'est ce que traduit la conservation de la luminance, qui provient directement de celle de l'étendue géométrique)
    Bonjour Coincoin,

    Attend une minute, la luminance est conservée, bien entendu (ce que j'exprimais par l'égalité avec la loi en T4). Mais le flux émis est bien proportionnel à T^4 et c'est une énergie émise par unité de surface. Donc à luminance égale (sur ce point je suis évidemment d'accord avec toi) la température sera forcément différente ! Je fais juste un bilan là (donc je n'ai pas besoin de tenir compte des angles and Cie, j'ai "triché" en disant qu'on récupérait tout le rayonnement ).

    D'ailleurs, si c'était vrai que la température ne dépendait pas de la focalisation, comment expliquerais-tu que l'on peut échauffer un objet avec une loupe ??? Et si la température dépend de la focalisation, comment expliquer qu'elle serait limitée alors que la focalisation est arbitrairement forte (à la longueur d'onde près, évidemment) ?

  13. #10
    Coincoin

    Re : collisions entre photons

    Le flux émis par ta surface émettrice l'est dans les 4pi stéradians. Si tu récupères toute cette énergie, tu ne peux pas la focaliser sur une surface plus petite. En effet, focaliser ça veut dire diminuer la surface de l'image en augmentant l'angle d'arrivée des rayons (y a pas moyen de faire autrement). L'étendue géométrique (produit de la surface par l'angle solide) est conservé.
    Disons que je considère 1 m² de la surface solaire. Avec ma super loupe, j'en fais l'image sur 1 dm² de ma pizza (ça sert pas à ça un four solaire ? ). Vu que je suis super fort en optique, mon système envoie de la lumière sur les 4pi stéradians entourant mon dm² de pizza. Mais ça veut dire que je ne récupère de la lumière émise par le m² de surface solaire que dans 4pi/100 stéradians. Le reste, je ne peux pas le récupérer. En tout cas, je ne peux pas le récupérer et le focaliser dans 1 cm². Donc je perds du flux.
    À l'équilibre, ma pizza reçoit autant de rayonnement dans l'étendue géométrique considérée (0.04pi m².sr) qu'elle n'en émet. Donc sa luminance est la même que celle du Soleil. Ma pizza est à 6000°C (donc trop cuite).

    Donc en faisant un système optique plus ou moins collecteur, je peux m'approcher des 6000°C (assez pour brûler des fourmis avec ma loupe), mais pas les dépasser.

    Si un jour on m'avait dit que je comprendrais aussi bien ce cours...
    Encore une victoire de Canard !

  14. #11
    Jeanpaul

    Re : collisions entre photons

    La température va dépendre de la focalisation, c'est sûr, mais elle ne peut dépasser la température de la source, c'est-à-dire la température du Soleil.
    L'énergie émise par le Soleil est bien proportionnelle à T^4 et à la surface du Soleil. Mais il n'en arrive qu'un tout petit peu sur la lentille, quelque chose proportionnel à (R/D)² où R= rayon de la lentille et D la distance Terre-Soleil.
    L'objet, lui va émettre quelque chose de proportionnel à sa surface et à sa température à la puissance 4 et la lentille va recevoir quelque chose proportionnel à (R/d)² où d est la distance lentille-foyer.
    Les lois de l'optique imposent que S/D² = s/d² donc les quantités émises et reçues s'équilibrent quand les températures sont égales.
    Il ne faut pas oublier les angles solides de captation !

  15. #12
    detlaf

    Re : collisions entre photons

    collision entre photon n'existe pas?? et les interférence lumineuses c'est pas un peu une collision?

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  17. #13
    Jeanpaul

    Re : collisions entre photons

    Citation Envoyé par detlaf Voir le message
    collision entre photon n'existe pas?? et les interférence lumineuses c'est pas un peu une collision?
    Non, une interférence c'est le résultat d'un photon qui se superpose à lui-même. Plus exactement, la radiation est la somme de plusieurs contributions issues de la même source, à la rigueur de sources cohérentes (pas trivial à réaliser). Dans le cas envisagé ici, on a 2 sources complètement indépendantes.

  18. #14
    Deedee81
    Modérateur

    Re : collisions entre photons

    Citation Envoyé par Jeanpaul Voir le message
    Les lois de l'optique imposent que S/D² = s/d² donc les quantités émises et reçues s'équilibrent quand les températures sont égales. Il ne faut pas oublier les angles solides de captation !
    Bonjour,

    Merci à toi et coincoin pour vos explications.

    Je comprend ce que vous expliquez même si j'ai un peu de mal à "voir". Mais, bon, le mieux est probablement que j'aille rechercher mon bon vieux cours de thermique (chapitre sur le rayonnement). Rien de tel que de potasser pour se rafraichir la mémoire, je suis un peu rouillé dans certains domaines. Et ça m'évitera de dire des bêtises (bon, j'en suis pas à une près, vous ne me connaissez pas encore )
    (je vais avouer qu'il y avait quelque chose qui me chiffonait dans mon explication et je n'arrivais pas à voir quoi )

    Merci d'avoir rectifié en tout cas,

  19. #15
    invite54165721

    Re : collisions entre photons

    Bonsoir,

    Si l'on considère l'effet Compton, le diagramme de Feynman associé ressembleà ceci: >---< (que c'est beau en ASCII) avec en entrée un électron et un photon, au milieu un électron virtuel et en sortie un électron et un photon.
    Si l'on fait tourner le diagramme d'un quart de tour on obtient
    \/
    |
    /\ (là c'est pas terrible)
    avec 2 photons en entrée et en sortie un électron et un positron.

    Si les 2 photons sont produits par 2 lasers avec une énergie supérieure à 2 fois celle d'un électron, l'amplitude est elle > 0?
    On sortirait de la matière du vide en l'éclairant!

  20. #16
    Jeanpaul

    Re : collisions entre photons

    Pas dans le visible en tous cas !

  21. #17
    invite54165721

    Re : collisions entre photons

    Salut,

    Un électron et un positron peuvent s'annihiler en donnant deux photons.
    Par symetrie de charge, de parité et d'inversion du temps qu'est-ce qu'on obtient comme phénomène physique?
    rien?

  22. #18
    Ricquet

    Re : collisions entre photons

    Bonjour à tous,

    Le gars qui a énoncé la "théorie" à laquelle Météor s'oppose, c'est moi ...
    Je vais faire un peu long, mais je voudrais expliquer comment j'en suis arrivé à penser ça, moi qui ne suis pas physicien (du tout ...).

    Je suis arrivé sur FS par intérêt pour le réchauffement climatique. Après réception de quelques "volées de bois vert" (de Yves25, notamment), j'ai essayé de comprendre la physique de l'histoire (transfert radiatif, etc ...). Puis je me suis interressé à la source d'énergie de tout le bazar : le soleil.

    Puis, je suis tombé sur une discussion ailleurs où un autre gars mettait en cause le fait que la terre puisse réchauffer (aussi peu que ce soit) le soleil parce que ça contredit le second principe de la thermodynamique. Hors, ça me "gratouille" aussi qu'un astre froid comme la terre puisse réchauffer le soleil ... et j'ai répondu que ça ne me paraissait pas possible ...

    Pourquoi ?? Et bien :

    1) Ici (http://www.cermep.fr/docs/cinotti/intermwp.pdf) j'ai trouvé (page 10) quelque chose qui me dit qu'aux abords du soleil la "densité" de photons émis par la terre doit être très faible.
    2) Sur Wiki, j'ai trouvé que la surface du soleil pouvait être considérée comme la photosphère. Donc, dans mon esprit, atteindre la surface solaire c'est atteindre la photosphère.
    3) Pour arriver là, "nos" photons doivent traverser la couronne d'abord puis la chromosphère, dernière étape avant la photosphère.
    3a) La couronne est une "zone" où, dans sa partie la plus proche du soleil, le milieu est un plasma (je crois). Pour essayer de comprendre ce qu'est un plasma, j'ai été ici (http://arena.obspm.fr/~luthier/motte...ategories.html), où j'ai lu, notamment, ceci :

    Le plasmas du vent solaire, le plasma de la magnétosphère, et le plasma qui s'echappe de l'ionosphère sont non collisionnels. Le libre parcours moyen du plasma magnétosphérique est de l'ordre de plusieurs dizaines de milliers de kilomètres. Le plasma de la couronne soalire est faiblement collisionnel : une particule du vent solaire aura subi une vingtaine de collisions en traversant la couronne.

    3b) Si des "photons terrestres" passent quand même au travers, ils arrivent dans la chromosphère où ils vont rencontrer :

    des molécules simples (monoxyde de carbone, eau), détectables par leur spectre d'absorption. La chromosphère proprement dite est épaisse d'environ 2 000 kilomètres. Sa température augmente graduellement avec l'altitude, pour atteindre un maximum de 100 000 kelvin à son sommet. (source : Wiki)

    Bref, il m'est apparu impossible qu'un photon émis par la terre puisse arriver à la photosphère ...

    Mais ... je n'en suis pas certain.
    Je suis aussi tombé sur le site de Nicole Meyer (http://www.lesia.obspm.fr/~meyer/) a qui j'ai posé la question par mail (ouais, je suis gonflé des fois !) mais qui n'a pas répondu ...

    Ceci dit, en y réfléchissant un peu plus, même si quelques photons terrestres arrivent à la photosphère et ralentissent le flux solaire (donc, le réchauffe d'une certaine façon) ça ne doit pas enfreindre le second principe de la thermodynamique. Le soleil étant la source de toute énergie dans le système solaire, il ne s'agit jamais que de sa propre énergie qui lui est renvoyée ... ???

    Voilà, en résumé, ma vision de béotien de la chose.
    Je me réjouis de vous lire démonter ma vision de l'histoire ...

    Cordialement.

  23. Publicité
  24. #19
    yves25
    Modérateur

    Re : collisions entre photons

    Puisque je t'ai envoyé une volée de bois vert....

    Tu te perds dans les détails.

    D'abord et avant tout, c'est une discussion sur une quantité epsilonesque
    1 les photons émis par la Terre ne vont pas "ralentir" le flux émis par le Soleil , ils ne vont rien lui faire directement.
    2 il n'est pas nécessaire en théorie que les photons terrestre, atteignent la chromosphère. Ton idée, je crois, est qu'ils seront absorbés bien avant. Ca ne change rien au pb: ils auront quand même servi à apporter une ultra mini chouiette d'énergie à un Soleil qui n'en a certes pas besoin.

    Est ce que ça signifie que la Terre a chauffé le Soleil? Evidemment non puisque 1 m2 du Soleil aura reçu 1 milliardième de milliardième de milliardième de W (peut être encore milliardième d'ailleurs) et la Terre 1360 par m2.

    Et c'est tout ce qui compte.

    Mais ton raisonnement revient à dire que la lumière émise par une étoile dont la température est inférieure à celle du Soleil ne l'atteint pas. Désolé, un bonhomme imaginaire à la surface (?) du Soleil voit bien toutes les étoiles et les planètes (sauf qu'il est ébloui par la lumière du Soleil)
    Dernière modification par yves25 ; 26/11/2007 à 19h53.
    Dix secondes pour écrire une bêtise, parfois des heures pour montrer à tous que c'en est une...

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