la "tête" des photons

[invitebdcb5c74]

Bonjour,

Plusieurs aspects concernant les relations matière-rayonnement m'intriguent, et je souhaiterai poser ici quelques questions simples, typées "débutants", afin d'y voir plus clair.

Partons d'un cas simple.
On imagine qu'on a devant nous un objet quelconque, et qu'on est isolé du reste du monde.
L'objet est au repos et a une température de 25°C.

Si j'étais en mesure de "voir" chacun des nombreux photons qu'il émet, qu'observerais-je ?

Une première réponse me dit que je constaterais :
- tous ces photons se déplacent à la même vitesse (env 300 000 km/s)
- ils n'ont pas tous la même énergie
- si je prends un échantillon de ces photons, et que je les classe par quantité d'énergie, j'obtiendrais alors une courbe "nb de photon trouvés en fonction de niveau d'énergie", qui passerait par un maximum, et qui aurait la même tête que le spectre d'émission d'un corps noir.
- le pic de cette courbe correspondrait à une fréquence, via E=h.nu, qui est celle de l'infrarouge 25°C...

=> Tout cela est il suffisamment "correct" ? si non, merci de me dire ce qui ne va pas dans cette interprétation.
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[coussin]

=> Tout cela est il suffisamment "correct" ? si non, merci de me dire ce qui ne va pas dans cette interprétation.

Suffisamment, oui

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Oui, c'est suffisamment correct. Il y a seulement un canular à propos de l'endroit où se trouve le maximum. L'énergie correspondante au maximum de photons est un peu décalée par rapport à la longueur d'onde ou la puissance rayonnée est maximale. La raison est qu'un même nombre de photons transporte plus d'énergie s'ils correspondent à des longueurs d'onde plus courtes.
Mais c'est un piège. C'est tout.
Au revoir.

[Amanuensis]

Bonjour.
Oui, c'est suffisamment correct. Il y a seulement un canular à propos de l'endroit où se trouve le maximum. L'énergie correspondante au maximum de photons est un peu décalée par rapport à la longueur d'onde ou la puissance rayonnée est maximale. La raison est qu'un même nombre de photons transporte plus d'énergie s'ils correspondent à des longueurs d'onde plus courtes.

Pas exactement. Cette explication est celle pour la différence entre les moyennes.

Dans le cas du max (la valeur modale), c'est qu'il s'agit du max d'une densité, mais pas la même : dans un cas c'est la densité par unité de longueur d'onde, et dans l'autre par unité de fréquence. Comme df = -c dl/l², le terme l² change la position du maximum. C'est une propriété générale : la fonction x --> f(1/x) n'a pas son max en 1 sur la valeur de z correspondant au max de z --> f(z)

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitebdcb5c74]

OK, globalement je vais donc considérer que c'est "suffisamment correct", pour mon niveau de reflexion en tout cas .

Bon alors je continue...

Maintenant je suppose que l'objet que je regarde, qui est toujours tout seul à 25°C, est fait d'une certaine matière. Par exemple je dis que c'est un métal, du cuivre.
Alors, d'après certains de mes souvenirs, les photons sont émis lorsque les électrons redescendent d'un ou plusieurs niveaux d'énergie (ici, dans l'atome de cuivre)

Autrement dit, si je reviens à mon expérience "d'observation de photon", je me dis que j'observerais :
- des photons de différentes énergies, mais en fait des niveaux d'énergie bien définis.
- c'est à dire que je pourrais compter "x photons à précisément telle énergie, y photons à précisément telle autre énergie,..."
- d'ailleurs avec les règles de remplissage des électrons dans les "couches", je devrais pouvoir définir précisément combien de photons différents il pourrait y avoir
- je n'ai donc plus du tout une distribution continue (un spectre comme le rayonnement du corps noir mentionné) mais des "pics de photons à des fréquences bien définies"

Est-ce que cela est correct ?
C'est en tout cas un peu contradictoire avec mon premier post, à moins de considérer que le matériaux initial possédait un très grand nombre de niveaux d'énergies et donc une multitude de possibilité pour les électrons de "retomber", et donc un spectre quasi continu....
J'attends vos explications

[coussin]

Est-ce que cela est correct ?

Ah bah nan, ça va plus

Les photons thermiques ne sont pas dus à des électrons qui redescendent d'un ou plusieurs niveau d'énergie. Ces photons thermiques sont dus aux vibrations des atomes de cuivre (pour reprendre ton exemple) autour de leurs positions d'équilibre dans le réseau cristallin. On appelle ça les phonons (c'est pas une coquille, à ne pas confondre avec les photons).
Le spectre en énergie de ces phonons (de ces vibrations du réseau cristallin) est lui continu (par opposition à discret).

[coussin]

Maintenant, pour rebondir sur ton autre point et même si les électrons ne jouent pratiquement aucun rôle dans le spectre thermique d'un corps :
– un atome de cuivre isolé a effectivement un spectre discret.
– un bout de cuivre macroscopique, c'est quelques 10^23 atomes en interaction. Le spectre de ça n'est plus discret. Pour être plus précis, il est discret mais, à la louche, il est 10^23 fois plus dense ! Résultat, il apparaît continu*. Pour être plus précis et c'est là la raison de vivre de la physique des solides, le spectre d'un bout de cuivre macroscopique forme ce qu'on appelle des bandes, continues.

* de toutes façons, chaque niveau d'un atome de cuivre unique a une certaine largeur. Imagine que tu « resserres » ces niveaux tels que la distance en énergie entre deux niveaux consécutifs est bien plus petite que cette largeur des états individuels, bah là du coup c'est vraiment continu…

[invitebdcb5c74]

Bonjour,

Et merci pour ce post, déjà je viens de découvrir un truc important : il y a des photons et des phonons !!! Je pensais vraiment que le rayonnement thermique était de même nature que l'émission d'un photo via "chute d'un electron" ...

Ceci dit avant d'aller plus loin dans mes questions je suis obligé de m'arrêter sur ton astérix :

Si j'ai bien compris tu dis que de manière générale les différents niveaux d'énergie ne sont pas forcément très bien définis dans un atome...
Or il me semble que lorsqu'on parle de "raies spectrales", qui permettent par exemple d'identifier des gaz lointains, elles se basent précisément sur cette propriété : un gaz émet ou absorbe les photons que sur des fréquences bien précises, et c'est de là qu'on conclut "ah, c'est bien de l'hydrogène" par exemple...
Non ?

Damien.

[coussin]

Ce que tu dis est vrai et ce que je dis est vrai aussi
Ce dont je parle est quand même tout tout petit dans les cas courants.
Dans un atome, il y a un état fondamental et pleins d'états excités. Tous les états excités ont une certaine largeur de raie qu'on appelle largeur naturelle. Cette largeur naturelle est directement liée (via l'inégalité d'Heisenberg energie/temps) à la duré de vie de cet état excité i.e. la probabilité qu'un électron ayant été excité dans cet état retombe dans le niveau fondamental via émission spontanée.
La blague c'est de dire qua dans un atome, il n'y a qu'un état lié; tous les autres états excités n'étant que des résonances

Encore une fois, cette largeur naturelle est toute petite et dans l'immense majorité des cas inaccessibles à une mesure directe dans une expérience (il y a de toute façon d'autre effets d'élargissement de raies dans les expériences toujours bien supérieurs à l'élargissement naturel).

[invitebdcb5c74]

Bonjour,

Je reprend ce fil pour continuer mes questions sur les photons

On a donc vu que mon morceau de cuivre à 25°C "rayonne", mais en fait ce ne sont pas de vrais photons, mais des phonons dûs aux oscillations des atomes de cuivre.

Maintenant, je décide de faire passer un courant alternatif dans mon morceau de cuivre, à par exemple 1kHz.
J'émet donc des ondes électromagnétiques.
Peut on dire que j'émets tout un tas de photons d'énergie E=h.nu = 1000 h ???

Merci.

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Le cuivre emmétra une un nombre ridiculement petit de photons correspondants à 1 kHz car à cette fréquence on ne rayonne pas grand chose.
Et le cuivre continuera à émettre (et à absorber) des photons thermiques correspondant à sa température et à celle de son environnement. Grosso modo, le même nombre de photons qu'un morceau de votre peau de même surface.
Au revoir.

[invitebdcb5c74]

Ok merci,

a) est-on d'accord sur le fait que ce nombre ridiculement petit va augmenter en fonction du courant que je fait passer dans mon morceau de cuivre, tout comme champs magnétique est proportionnel au courant ? Et que c'est la même chose qu'il se passe dans les antennes de telecom, mais un million de fois plus rapide ?
b) je ne comprend pas comment sont produits ces photons correspondant à 1khz : s'il s'agit d'un changement d'état (de niveau) d'électrons, alors seulement certains niveaux d'énergie sont accessibles, et à priori peu de chances de retrouver pile poil l'énergie correspondant à E=h.1000 ...
Bonne journée.

[invite6dffde4c]

Ok merci,

a) est-on d'accord sur le fait que ce nombre ridiculement petit va augmenter en fonction du courant que je fait passer dans mon morceau de cuivre, tout comme champs magnétique est proportionnel au courant ? Et que c'est la même chose qu'il se passe dans les antennes de telecom, mais un million de fois plus rapide ?
b) je ne comprend pas comment sont produits ces photons correspondant à 1khz : s'il s'agit d'un changement d'état (de niveau) d'électrons, alors seulement certains niveaux d'énergie sont accessibles, et à priori peu de chances de retrouver pile poil l'énergie correspondant à E=h.1000 ...
Bonne journée.

Re.
Oui. C'est la même chose que les antennes radio. Qui émettent elles mêmes des ondes radio que l'on peut aborder aussi comme des photons.
Mais il n'y a pas de différence sur la manière où ces (ondes radio)/photons sont émis. C'est une et même chose. La seule différence vient de nous. On peut les étudier en tant qu'ondes ou en tant que photons.

Si ce qui vous inquiète est de trouver des niveau d'énergie séparées par l'énergie correspondante aux photons de ondes radio, soyez rassuré. Dans un volume de métal de 1 cm³ vous trouvez quelques 10²² niveaux d'énergie étalées su quelques électronvolts. C'est à dire que vous pourrez émettre par saut entre deux niveaux, des photons avec des énergies aussi faibles que 10^-22 eV ou des électrons à une valeur donnée d'énergie avec une précision de 10^-22 eV.
Par exemple, vous photons correspondantes à 1 kHz ont une énergie de 4 10^-15 eV. Quelques 10 millions de fois plus grande que la "résolution" des énergies dans le morceau de métal. Autrement dit vous pourriez même émettre des photons correspondant à 1/10000 de hertz.
A+

[invitebdcb5c74]

Merci pour cette réponse,

Il reste un point que je ne comprend pas.
Il me semble qu'on peut déterminer à distance la composition des gaz via l'analyse des raies spectrales, c'est à dire qu'on regarde les fréquences qui sont absorbées ou émises. Et je crois qu'on ne trouve, pour chaque gaz, que quelques raies, ce qui permet une caractérisation efficace.
Or, dans un morceau de cuivre, il y a simplement des atomes.... de cuivre. Je m'attendais donc à un phénomène un peu équivalent, quitte à avoir plus de raies (mais pas des milliards).
Quelle est la différence? est-ce la configuration du réseau d'atome qui fait que, chaque électron étant impacté par une multitudes de noyaux, il y a également une multitude d'états possibles ??
Bon je crois qu'il va falloir que je trouve un bon bouquin du type "matière et rayonnement"
Bonne journée.

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Oui. On peut détecter des atomes et des molécules dans les gaz qui entourent des étoiles, par les raies d'absorption sur le spectre continu de l'étoile.

Dans un morceau de cuivre il n'y a pas des atomes de cuivre isolés comme dans de la vapeur de cuivre. Les électrons de valence (les plus extérieurs) sont partagés entre tous les atomes. Les niveaux d'énergie sont dédoublés en milliards de milliards. Donc, les spectres d'émission ou d'absorption d'un morceau de métal n'ont rien à voir avec celui de la vapeur du métal.
Au revoir.

[invite68f2fb17]

On a donc vu que mon morceau de cuivre à 25°C "rayonne", mais en fait ce ne sont pas de vrais photons, mais des phonons dûs aux oscillations des atomes de cuivre.

Euh... attention quand même, le phonon n'est pas une vraie particule!
Ce n'est qu'une quasi particule utilisée pour simplifier!