L'énergie du photon

[andretou]

Bonjour à tous
Deux photons ayant la même fréquence, mais se déplaçant à deux vitesse différentes (un dans le vide et l'autre dans l'eau par exemple), ont-ils quand même exactement la même énergie ?
Merci pour vos réponses
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[LPFR]

Bonjour.
Oui.
Les photons qui traversent une vitre ne changent pas de couleur.
Au revoir.

[mach3]

Deux photons ayant la même fréquence, mais se déplaçant à deux vitesse différentes (un dans le vide et l'autre dans l'eau par exemple)

Que ce soit dans le vide ou dans l'eau, le photon va toujours à la même vitesse. Vous confondez avec la vitesse de l'onde électromagnétique qui, elle, dépend du milieu.

ont-ils quand même exactement la même énergie ?

pour un photon c'est toujours E=hv, h est constant et ne dépend pas du photon ou du milieu dans lequel il est.

m@ch3

[Deedee81]

Salut,

pour un photon c'est toujours E=hv, h est constant et ne dépend pas du photon ou du milieu dans lequel il est.

Précisons que ici, v est la fréquence et pas la vitesse de quoi que ce soit (photon, onde EM) (*). C'est la fréquence qui détermine l'énergie d'un quanta, non sa vitesse.

(*) J'ai préféré préciser car la notation est ambigüe. Le 'nu' ressemble très fort à un 'vé'.

[A voir en vidéo sur Futura]

[andretou]

Merci pour toutes ces précisions.
Mais quelle est la différence entre la vitesse du photon et la vitesse de l'onde EM ?
Et qu'appelle-t-on alors exactement la vitesse de la lumière ?

[coussin]

Merci pour toutes ces précisions.
Mais quelle est la différence entre la vitesse du photon et la vitesse de l'onde EM ?
Et qu'appelle-t-on alors exactement la vitesse de la lumière ?

Eh bien on parle plutôt de vitesse de la lumière dans le vide auquel cas vitesse du photon et vitesse de l'onde coïncident.
Dans un milieu matériel, la vitesse des photons est c et la vitesse de l'onde est c/n, n étant l'indice de réfraction du milieu (pour des ondes plus complexes, il y a deux vitesses : de groupe et de phase).

[mach3]

Il faut différencier plusieurs concepts :

La vitesse limite c, propriété de l'espace-temps. C'est une vitesse indépassable par les particules possédant une masse. C'est la vitesse obligatoire pour les particules sans masses.

La vitesse des photons. Le photon est sans masse jusqu'à preuve du contraire, donc il se déplace à la vitesse limite.

La vitesse de la lumière. C'est la vitesse de déplacement d'une perturbation du champ électromagnétique. L'affaire est assez complexe car il faut différencier vitesse de groupe, vitesse de phase, vitesse du signal...

Pour relier proprement la description de la lumière en terme de photons et celle en terme d'onde électromagnétique, il faut utiliser l’électrodynamique quantique, ce qui n'est pas une mince affaire. Je vous conseille "Lumière et Matière" de Feynman sur le sujet, c'est un bijoux de vulgarisation.

m@ch3

[andretou]

Dans un milieu matériel, la vitesse des photons est c et la vitesse de l'onde est c/n, n étant l'indice de réfraction du milieu (pour des ondes plus complexes, il y a deux vitesses : de groupe et de phase).

Ce que je ne comprends pas, c'est pourquoi la vitesse de l'onde est freinée par la matière... En effet, une île ne freine pas la vitesse d'un tsunami...

[coussin]

Ce que je ne comprends pas, c'est pourquoi la vitesse de l'onde est freinée par la matière... En effet, une île ne freine pas la vitesse d'un tsunami...

Une analogie : connaissez-vous ce jeu, dans les fêtes foraines, formé d'une planche verticale avec plein de clous. On lâche une balle en haut de la planche et celle-ci descend, tant bien que mal, en rebondissant sur les clous. La vitesse de la balle entre deux clous est une vitesse de chute libre. Pourtant, le temps mis par la balle pour atteindre le bas de la planche est bien plus long qu'une chute libre, correspondant à une "vitesse effective" bien plus faible.
C'est la même idée ici. Dans un milieu matériel, les photons composant l'onde électromagnétique passent leur temps à être absorbés et réémis par le milieu. On peut néanmoins définir une "vitesse effective" pour l'onde dans son ensemble qui est c/n.

[coussin]

En effet, une île ne freine pas la vitesse d'un tsunami...

Un atome non plus. Imaginez votre tsunami dans un archipel de milliards de milliards d'îles

[andretou]

Un atome non plus. Imaginez votre tsunami dans un archipel de milliards de milliards d'îles

Je pense que le tsunami serait en effet amorti, mais est-ce que sa vitesse de propagation serait vraiment ralentie ?

[andretou]

Il faut différencier plusieurs concepts :

La vitesse limite c, propriété de l'espace-temps. C'est une vitesse indépassable par les particules possédant une masse. C'est la vitesse obligatoire pour les particules sans masses.

La vitesse des photons. Le photon est sans masse jusqu'à preuve du contraire, donc il se déplace à la vitesse limite.

La vitesse de la lumière. C'est la vitesse de déplacement d'une perturbation du champ électromagnétique. L'affaire est assez complexe car il faut différencier vitesse de groupe, vitesse de phase, vitesse du signal...

Pour relier proprement la description de la lumière en terme de photons et celle en terme d'onde électromagnétique, il faut utiliser l’électrodynamique quantique, ce qui n'est pas une mince affaire. Je vous conseille "Lumière et Matière" de Feynman sur le sujet, c'est un bijoux de vulgarisation.

m@ch3

Merci pour cette référence, je vais m'efforcer de mettre la main dessus.
En attendant, est-il correct de dire que les photons interagissent avec l'onde EM qui les porte, et réciproquement ?

[mach3]

En attendant, est-il correct de dire que les photons interagissent avec l'onde EM qui les porte, et réciproquement ?

les photons SONT l'onde EM.

Ce que je ne comprends pas, c'est pourquoi la vitesse de l'onde est freinée par la matière...

l'explication ondulatoire est assez simple : la matière est faite de dipôles. Un dipôle qui oscille émet une onde électromagnétique, et inversement, une onde électromagnétique fait osciller un dipôle. Si une onde incidente traverse la matière, à la vitesse de la lumière dans le vide bien-sûr, elle fait osciller les dipôles de la matière sur son passage. Ils vont osciller avec plus ou moins de retard, suivant leur nature et la fréquence de l'onde et du coup émettre chacun une onde, de même fréquence que l'incidente, mais avec un retard et dans toutes les directions, ces ondes générées vont à nouveau faire osciller les dipôles, qui vont à nouveau émettre avec retard, bref un énorme bazar. Il se trouve que cette énorme bazar donne globalement (par effet d'interférences) une onde électromagnétique se déplaçant dans la même direction que l'incidente, mais plus lentement.

m@ch3

[LPFR]

...
En attendant, est-il correct de dire que les photons interagissent avec l'onde EM qui les porte, et réciproquement ?

Bonjour.
Au moyen-âge, on brûlait des gens pour moins que ça.

Il est peut-être utile de rappeler que l’indice de réfraction et la vitesse plus faible des ondes dans la matière sont un modèle mathématique et non physique.
Ce que nous voyons est la somme de l’onde d’origine plus les ondes secondaires crées par les électrons agités par le champ ce cette onde. Ces ondes secondaires ont un déphasage tel que nous mesurons une onde « retardée » qui fait penser (faussement) que les ondes électromagnétiques se sont propagées plus lentement.
Ce sont ces mêmes ondes « secondaires » qui constituent l’onde réfléchie.
Mais aussi bien l’onde d’origine que les « ondes secondaires » voyagent à la vitesse de la lumière dans le vide.
Je vous conseille le chapitre de Feynman :
http://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_31.html

Mais le modèle mathématique de l’indice de réfraction est tellement commode, qu’on oublie que ce n’est pas de la physique. Et on ne le raconte jamais aux étudiants.
A+

[andretou]

les photons SONT l'onde EM.

Mais alors comment les photons et l'onde EM peuvent-ils avoir deux vitesses différentes ???

[mach3]

Mais alors comment les photons et l'onde EM peuvent-ils avoir deux vitesses différentes ???

mon explication va être un peu bancale, parce que c'est beaucoup plus compliqué que ça, mais les photons de la lumière incidente ne vont pas bien loin dans le matériau, ils sont absorbés par les dipôles. Ils sont vite remplacés par ceux émis, avec retard, par les dipôles, qui sont eux-mêmes très vite absorbés par les dipôles suivants et remplacés par ceux émis, avec retard, par ces dipôles suivants, etc, etc.

m@ch3

[LPFR]

Re.
Je trouve que l’explication avec des photons qui se font absorber et réémettre est bancale. Dans le meilleur de cas il s’agit d’absorptions virtuelles. Car on n’ pas un nombre infini de niveaux d’énergie pour satisfaire toutes les énergies possibles de photons. De plus, comment le photon réémis est envoyé dans la bonne direction et avec la bonne polarisation ? Il y a aussi un petit problème de conservation de moment dans ces absorptions et réémissions.

Je suis sûrement archaïque, mis je n’utilise pas des photons dans l’interaction avec la matière, à moins qu’il s’agisse des phénomènes quantiques, comme l’effet photoélectrique. Dans les autres cas, j’utilise le modèle classique qui fonctionne à merveille et qui est plus à comprendre et à expliquer.
A+

[coussin]

Re.
Je trouve que l’explication avec des photons qui se font absorber et réémettre est bancale. Dans le meilleur de cas il s’agit d’absorptions virtuelles. Car on n’ pas un nombre infini de niveaux d’énergie pour satisfaire toutes les énergies possibles de photons. De plus, comment le photon réémis est envoyé dans la bonne direction et avec la bonne polarisation ? Il y a aussi un petit problème de conservation de moment dans ces absorptions et réémissions.

Un matériau absorbe plus ou moins à toutes les fréquences... La raison pour laquelle le verre est transparent est justement parce que le visible n'est pas absorbé ! Les photons réémis le sont dans toutes les directions puisque ce sont des ondes sphériques qui sont réémises.
Et le "petit problème" dont vous parlez a tenu en haleine les théoriciens pendant de nombreuses décennies puisque c'est ce qui tourne autour de la controverse Abraham-Minkowski

[Nicophil]

Bonjour,

Et le "petit problème" dont vous parlez a tenu en haleine les théoriciens pendant de

"tient en haleine depuis de", non ?

[Deedee81]

Salut,

"tient en haleine depuis de", non ?

Ce n'est plus considéré comme un problème. Au moins à ma connaissance.