energie d'un photon isolé

[invite69d38f86]

Bonjour

J'aimerais savoir si les photons qui nous arrivent ont chacun une énergie précise
ou s'ils peuvent être en superposition d'énergies.
Comment pourrait on le vérifier pour un photon isolé?
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[invite251213]

Bonjour

J'aimerais savoir si les photons qui nous arrivent ont chacun une énergie précise ou s'ils peuvent être en superposition d'énergies.

Comment pourrait on le vérifier pour un photon isolé?

Ce que je vais dire est surement faux, mais il me semble qu'un photon isolé est dans une superposition d'état. En gros, c'est comme si ton photon était dans tous les états d'énergie possibles.

Et je pense que ce n'est pas mesurable, a moins d'absorber le photon, et de le faire decoherer.

Mais, n'étant pas spécialiste, je demande confirmation.

[Deedee81]

Salut,

Un photon (isolé) peut (en théorie) avoir une énergie précise.

Mais c'est un cas idéalisé (identique aux ondes sinusoidales) (qui n'est même pas normalisable).

En général, un photon n'a jamais une énergie totalement précise. C'est plutôt un paquet d'ondes = superposition d'ondes de fréquences proches = superposition d'états d'énergies proches.

Il a donc une énergie un peu imprécise.

On peut mesurer l'énergie d'un photon seul : il suffit de le capter (photomultiplicateur, ccd). Mais comme toujours en mécanique quantique, on mesurera UNE énergie précise, même si l'état est fortement indéterminé.

[invite0bbfd30c]

J'aimerais savoir si les photons qui nous arrivent ont chacun une énergie précise ou s'ils peuvent être en superposition d'énergies.

Un photon unique peut être dans une superposition quantique de deux énergies*. Dans ce cas on peut dire que le photon unique est dans une superposition de deux énergies, ou bien que l'état du champ est une superposition cohérente d'un état à un photon à une énergie et d'un état à un photon à une autre énergie. À ce niveau c'est une question de vocabulaire...

* d'ailleurs comme le dit Didi il y a toujours une certaine largeur spectrale, donc il y a toujours une superposition d'énergies

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite74a6a825]

c'est curieux puisque un électron qui change de niveau dans un atome en éméttant un photon le fait toujours par quantité d'énergie identique qui donne une couleur particuliére

[invite1c0eeca8]

si tu appliques le principe d'incertitude au photon, deltaE > h/deltat

si on connait exactement E alors delta = 0 et delta t = infini

il te faut donc un temps infini pour mesurer E !

[invite0bbfd30c]

c'est curieux puisque un électron qui change de niveau dans un atome en éméttant un photon le fait toujours par quantité d'énergie identique qui donne une couleur particuliére

Un atome peut avoir plusieurs voies de désexcitation, et par conséquent émettre un photon d'une certaine fréquence et/ou (=superposition quantique) d'une autre fréquence. C'est utilisé par exemple dans l'expérience décrite ici. En toute rigueur l'état obtenu n'est pas exactement l'état discuté au-dessus car après désexcitation il y a intrication entre le champ et l'atome (mais on pourrait supprimer cette intrication avec un schéma de type "gomme quantique", et alors on aurait bien un photon dans un état superposé de deux énergies).

[invite69d38f86]

Dans le cas de superposition que donne la transformée de Fourier?
un spectre discret? (ou continu) borné?
S'il y a une épaisseur des raies d'ou vient elle?
Pour l'argument utilisant delta t delta E avec la mesure devant prende un temps infini, je parlais de l'etat avant la mesure avec par exemple des photons à capter dans un telescope pointant sur une galaxie tres lointaine. Ici delta t serait plutot tres grand.

[invite69d38f86]

Dans le cas de superposition que donne la transformée de Fourier?
un spectre discret? (ou continu) borné?

je parlais de la désexcitation d'un atome excité. La réponse doit être connue par ceux qui ont fait de la spectrographie.
merci.

[Deedee81]

Salut,

Dans le cas de superposition que donne la transformée de Fourier?
un spectre discret? (ou continu) borné?

Ca dépend de la superposition.

S'il y a une épaisseur des raies d'ou vient elle?

Elle a deux origines : l'incertitude sur l'énergie d'un niveau électronique due à sa durée de vie finie, et l'effet Doppler (agitation thermique).

Note que si tu mesurais la longueur d'onde d'un seul photon tu aurais une raie très finie. Mais habituellement une raie c'est une mesure sur des milliards de phorons.

Le delta t a considérer n'a rien à voir avec la distance à laquelle on observe l'objet. C'est la durée de l'état excité qui a produit le photon. Si cette durée est très courte, l'énergie de cet état est imprécise et donc celle du photon émis aussi.

[invite74a6a825]

ALors qu'elle est l'épaisseur de la raie de l'hydrogéne ?
1420,4 MHz +/- delta F

Quand l’électron saute du sous-niveau le plus haut sur le sous-niveau plus bas (c'est-à-dire qu'il change d'un spin parallèle à un spin anti-parallèle), il restitue l’énergie égale à la différence entre les deux sous-niveaux sous forme de lumière (c'est-à-dire d'onde électromagnétique). La différence d’énergie entre ces deux sous niveaux étant très faible, de l’ordre de 10-6 électron-volt, la radiation se situe dans les micro-ondes à 21 cm de longueur d’onde. Cela correspond à une fréquence de 1420,4 MHz

[invite1c0eeca8]

Le delta t a considérer n'a rien à voir avec la distance à laquelle on observe l'objet. C'est la durée de l'état excité qui a produit le photon. Si cette durée est très courte, l'énergie de cet état est imprécise et donc celle du photon émis aussi.

ce n'est pas plutôt la durée de la transition ? cdlt

[invite0bbfd30c]

ALors qu'elle est l'épaisseur de la raie de l'hydrogéne ? 1420,4 MHz +/- delta F

La durée de vie (demi-vie) T du niveau hyperfin F=1 du niveau fondamental de l'hydrogène est d'environ 11 millions d'années, la largeur naturelle de la transition F=1 - F=0 (la transition qui correspond à la "raie à 21cm") est donc 1/(2pi T) = 1.4x10^-8 Hz. Ce n'est pas beaucoup

[invite0bbfd30c]

La durée de vie (demi-vie) T du niveau hyperfin F=1 du niveau fondamental de l'hydrogène est d'environ 11 millions d'années, la largeur naturelle de la transition F=1 - F=0 (la transition qui correspond à la "raie à 21cm") est donc 1/(2pi T) = 1.4x10^-8 Hz. Ce n'est pas beaucoup

Et sans faire d'erreur idiote (confondre année et seconde), ça donne 4.6x10^-16 Hz.

[Deedee81]

ce n'est pas plutôt la durée de la transition ? cdlt

Non, c'est bien la durée d'existence de l'état qui fixe la "précision" de son énergie et donc l'énergie absorbée/émise lors de la transition.

Une énergie parfaitement précise n'existe que pour des états strictement stationnaire. Et par définition, s'il y a une transition, ce n'est pas stationnaire

[invite0bbfd30c]

par définition, s'il y a une transition, ce n'est pas stationnaire

Là il faudrait préciser transition spontanée. On peut induire des transitions entre états extrêmement stables (cf le maser à hydrogène, par exemple).

[invite69d38f86]

Elle a deux origines : l'incertitude sur l'énergie d'un niveau électronique due à sa durée de vie finie, et l'effet Doppler (agitation thermique).

L'énergie d'un photon correspondant à une différence de niveaux d'énergie, on doit considérer que dans l'agitation thermique chacun des niveaux est "agité" de manière indépendante?

[Deedee81]

Salut,

Là il faudrait préciser transition spontanée. On peut induire des transitions entre états extrêmement stables (cf le maser à hydrogène, par exemple).

Oui, bien sûr, je ne faisais pas référence à une durée spécialement courte ou longue des états.

Ce que je soulignais c'est que s'il y a transition, même entre des états extrêment stables, alors ce n'est pas stationnaire, par définition. Donc l'énergie n'est pas infiniment précise (elle est toutefois fort précise dans les masers et lasers grâce çe choix d'états métastables).

L'énergie d'un photon correspondant à une différence de niveaux d'énergie, on doit considérer que dans l'agitation thermique chacun des niveaux est "agité" de manière indépendante?

Ce ne sont pas les niveaux qui sont agités mais les atomes et les molécules Cette agitation se traduisant par des changements de niveaux : électroniques (à très haute température), vibrationnel (à haute température en général pour les gaz, à basse température pour les solides), rotationnels (à température ambiante pour les gaz moléculaires).

On considère en effet souvent l'indépendance dans la mesure où l'on fait souvent l'approximation que les états de vibration (par exemple) ne sont pas influencés par les rotations. A strictement parler ce n'est pas correct car la rotation peut étirer la molécule.

Après, chaque molécule est parfois considérée comme indépendante dans un gaz et les transitions sont calculées à l'aide de la physique statistique. Attention : indépendantes mais pas nécessairement discernables.

Dans les liquides et solides, l'indépendance est parfois une très mauvaise hypothèse à cause des interactions entre atomes. Donc on doit soit effectuer des corrections (interactions entre phonons par exemple) soit traiter plus complètement ces interactions en utilisant des outils tels que la théorie des ensembles de Gibbs.

Le ferromagnétisme ne saurait se traiter sans tenir compte des interactions (alors que pour le paramagnétisme parfait, on considère chaque moment magnétique comme indépendant).

[Amanuensis]

L'agitation thermique tant de la molécule qui émet que de ce qui détecte crée une incertitude de l'énergie échangée due au doppler venant de la vitesse relative entre émetteur et récepteur.

Cela doit élargir la raie bien plus que les effets précédemment mentionnés, non ?

[invite74a6a825]

Là il faudrait préciser transition spontanée. On peut induire des transitions entre états extrêmement stables (cf le maser à hydrogène, par exemple).

wiki aussi parle de spontanéité

un atome d’hydrogène où l'électron est dans le niveau supérieur mettra plusieurs millions d’années à tomber spontanément au niveau inférieur.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Raie_%C...ntim%C3%A8tres

mais pourquoi ne pas invoquer les fluctuations du vide ?
La probabilité qu'une fluctuation soit au bon endroit et à la bonne énergie (10-6 électron-volt) pour faire changer le spin de l'électron d'un atome d'hydrogène.

[invite74a6a825]

Comme personne ne répond je poursuis.
si une particule virtuelle est consommé pour modifier le spin de l'électron d'un atome d'hydrogène que devient l'antiparticule ?

[Deedee81]

Salut,

L'agitation thermique tant de la molécule qui émet que de ce qui détecte crée une incertitude de l'énergie échangée due au doppler venant de la vitesse relative entre émetteur et récepteur.

Cela doit élargir la raie bien plus que les effets précédemment mentionnés, non ?

A moins de travailler près du zéro absolu, oui, l'effet Doppler est prédominant.

On peut même s'en servir pour estimer la température d'un gaz !

mais pourquoi ne pas invoquer les fluctuations du vide ?

En général on peut se passer de l'arsenal fort complexe de la théorie quantique des champs.

La mécanique quantique semi-classique donne de bons résultats.

si une particule virtuelle est consommé pour modifier le spin de l'électron d'un atome d'hydrogène que devient l'antiparticule ?

Heuuuu ... Hein A mon avis là tu avais une idée derrière la tête mais elle y est restée !

[invite0bbfd30c]

Ce que je soulignais c'est que s'il y a transition, même entre des états extrêment stables, alors ce n'est pas stationnaire, par définition. Donc l'énergie n'est pas infiniment précise

Je ne comprends pas ton raisonnement. Comme l'exemple de l'hydrogène le montre on peut induire des transitions entre niveaux extrêmement stables (une durée de vie de onze millions d'années, ce n'est pas rien)... De même, et seulement en principe évidemment, on peut imaginer induire des transitions entre niveaux arbitrairement stables, et ce pour une durée arbitrairement longue. Donc on peut très bien avoir une situation non stationnaire (des atomes oscillant entre deux niveaux) et une finesse de raie arbitrairement petite (=0). Bref, en tout cas ce qui est important à savoir c'est qu'une transition peut exister sans qu'il y ait (presque) d'émission spontanée pour cette transition.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Raie_%C...ntim%C3%A8tres

mais pourquoi ne pas invoquer les fluctuations du vide ?

On peut, c'est une façon de voir les choses.

[invite0bbfd30c]

Donc l'énergie n'est pas infiniment précise (elle est toutefois fort précise dans les masers et lasers grâce çe choix d'états métastables).

Pour les lasers en général ce n'est pas vrai. Les lasers sont très souvent beaucoup, beaucoup plus fins spectralement que la transition qu'ils utilisent.

[Deedee81]

Je ne comprends pas ton raisonnement. Comme l'exemple de l'hydrogène le montre on peut induire des transitions entre niveaux extrêmement stables (une durée de vie de onze millions d'années, ce n'est pas rien)... De même, et seulement en principe évidemment, on peut imaginer induire des transitions entre niveaux arbitrairement stables, et ce pour une durée arbitrairement longue. Donc on peut très bien avoir une situation non stationnaire (des atomes oscillant entre deux niveaux) et une finesse de raie arbitrairement petite (=0). Bref, en tout cas ce qui est important à savoir c'est qu'une transition peut exister sans qu'il y ait (presque) d'émission spontanée pour cette transition.

Moi non plus je ne comprend pas. Car je n'ai jamais dit le contraire. En fait c'est même tout à fait ce que je disais.

Je me suis peut-être fort mal expliqué

P.S. : attention quand même : émission spontanée ne veut pas dire rapide. Il y a des noyaux avec émission spontanée et demi-vie de plus de 20 milliards d'années (ça peut même être encore plus long jusqu'à en devenir inobservable). Et quand je parlais de transition ci-dessus, je ne distinguais pas les transisitions induites ou spontanées. Ce qui compte (pour ce dont on parlais) c'est la transition et la durée entre deux transitions, point.

[invite0bbfd30c]

Moi non plus je ne comprend pas. Car je n'ai jamais dit le contraire. En fait c'est même tout à fait ce que je disais.

Ben non, tu disais au contraire:

Une énergie parfaitement précise n'existe que pour des états strictement stationnaire. Et par définition, s'il y a une transition, ce n'est pas stationnaire

Tu dis que s'il y a transition, ce n'est pas stationnaire, et que par conséquent l'énergie ne peut pas être parfaitement définie. Or je viens d'expliquer que, en principe, on peut avoir un processus avec des transitions entre deux niveaux parfaitement stables, pour une durée arbitrairement longue, et avec une largeur de raie correspondante arbitrairement petite (et une énergie parfaitement définie). Bref.

[inviteccac9361]

Bonjour,

si je comprend bien, toute energie est ondulatoire.
Pourquoi ? C'est probablement une autre tres bonne question

Cela signifie entre autre que l'action de l'onde sur l'espace est variable dans le temps.
Donc une energie peut-être tres precise... en moyenne.
Mais d'un point de vue stricte, l'action de l'onde est variable, donc d'autant imprecise que sa frequence sera élévé... si évaluée pendant un temps court.

[Deedee81]

Salut,

Tu dis que s'il y a transition, ce n'est pas stationnaire, et que par conséquent l'énergie ne peut pas être parfaitement définie.

Exact : si ça varie cela signifie que cela ne reste pas stationnaire. C'est bêtement une question de définition.

Or je viens d'expliquer que, en principe, on peut avoir un processus avec des transitions entre deux niveaux parfaitement stables, pour une durée arbitrairement longue, et avec une largeur de raie correspondante arbitrairement petite (et une énergie parfaitement définie). Bref.

Tu te contredits :

Si tu as une transition, alors ce n'est pas parfaitement stable !!!! (que la transition soit induite ou spontanée). Quelque chose qui est parfaitement stable ne varie pas.

Mais, oui, si la durée est très longue la largeur de raie sera arbitrairement petite et l'énergie extêmement bien définie (mais pas parfaitement).

Et je répète. Peu importe la cause de perte de stabilité. Tu sembles penser que si un état est stable d'un point de vue transition spontanée, alors, même si la transition est induite, l'énergie sera parfaitement définie. C'est totalement faux. C'est la durée T pendant lequel dure l'état avant la transition qui compte. La précision dans l'énergie sera au mieux hbar/T.

[invite1c0eeca8]

C'est la durée T pendant lequel dure l'état avant la transition qui compte. La précision dans l'énergie sera au mieux hbar/T.

slt

as tu une ou des références sur ça?

[invite69d38f86]

Pour une particule massique instable, on lui applique la relation d'incertitude delta E delta t > hbar
ou delta t est sa durée de vie.
dans le cas présent il faudrait invoquer pour le photon la "conservation de l'incertitude de l'énergie". pourquoi ne pas utiliser le meme principe pour une particule non massique (le photon)?