Diffusion compton

[Christian Arnaud]

Amis de la quantique , bonjour

En regardant les technologies de panneaux solaires, je suis dubitatif à propos de la diffusion Compton

Tout d'abord, mettons les choses au clair : le photon diffusé est bien un photon réémis (de fréquence plus basse) ? c'est à dire un nouveau photon créé ?
Si oui , au moment de l'émission du 2ème photon, l'électron subit-il un recul ?

Et deuxième point : que deviennent les photons de faible énergie (i.e énergie insuffisante pour éjecter l'électron) lorsqu'ils rencontrent un électron sans pouvoir l'éjecter ?

d'avance merci
-----

[XK150]

Bonjour ,

Si vous donniez la référence de vos lectures sur le sujet , ce serait mieux pour commenter .

[Resartus]

Bonjour,
Sauf à vouloir faire des calculs quantiques très compliqués, on peut considérer que l'interaction entre photon et électron dans l'effet Compton est instantanée, L'émission du second photon a donc lieu en même temps que la disparition du photon incident et l'éjection de l'électron avec une certaine vitesse (forcément un recul, donc).

De même que les photons incidents, les photons émis après diffusion peuvent soit ne rien toucher, soit être absorbés et exciter une vibration du nuage électronique d'un atome voisin. Cette excitation pourra soit se transformer en agitation thermique, soit réémettre un photon à même fréquence.
Mais pour décrire cela, le modèle corpusculaire n'est pas le plus adapté : il est plus simple d'utiliser le modèle ondulatoire et on va retrouver la notion de d'indice de réfraction (éventuellement complexe, ce qui donnera de l'absorption), qui va dépendre de la fréquence de l'onde et de la nature du matériau

Si le matériau est un métal, cela sera un peu plus compliqué car le nuage n'est pas localisé sur un seul atome, mais le principe reste le même

[Christian Arnaud]

Bonjour ,

Si vous donniez la référence de vos lectures sur le sujet , ce serait mieux pour commenter .

oui, vous avez été sans doute abusé par le fait que je parle de panneaux solaires avant de rebondir sur la diffusion Compton ; mais c'était simplement pour expliquer l'origine du questionnement il suffit , comme le fait l'interlocuteur suivant, de répondre aux deux questions posées

[A voir en vidéo sur Futura]

[Christian Arnaud]

Bonjour,
Sauf à vouloir faire des calculs quantiques très compliqués, on peut considérer que l'interaction entre photon et électron dans l'effet Compton est instantanée, L'émission du second photon a donc lieu en même temps que la disparition du photon incident et l'éjection de l'électron avec une certaine vitesse (forcément un recul, donc).

merci pour cette réponse mais je souhaiterais poursuivre sur le mot "recul".
Quand j'évoquais ce "recul", c'était celui dû à l'émission du photon secondaire. Ce photon part dans un sens (vers l'avant probablement) avec une certaine énergie (plus faible que le photon incident) et surtout une certaine quantité de mouvement (non nulle) . Il pourrait donc y avoir recul de l'électron.

Et ma deuxième question portait sur les photons incidents d'énergie faible : Que se passe-t-il alors lorsque ces photons rencontrent un électron qui est trop lié pour être éjecté ? on pourrait penser que le photon incident est purement annihilé..... mais dans ce cas où passe l'énergie ? d'où ma question

[Deedee81]

Salut,

Manque de temps pour expliquer en détail. Mais pour faire avancer le schmilblick et voyant qu'on parle de panneaux solaires et d'effet Compton, rappelons (ça peut être utile) que la diffusion Compton est négligeable sauf à haute énergie : rayons X ou gamma.

[Christian Arnaud]

Salut,

rappelons (ça peut être utile) que la diffusion Compton est négligeable sauf à haute énergie : rayons X ou gamma.

Bonjour Deedee ,
Oui , bien sur mais je crains que mes deux questions (1)le "recul" et 2)l'énergie du photon incident qui passe où ?) ne demeurent

[Resartus]

Bonjour,

Que n'avez-vous pas compris dans ma première réponse?

1) Il y a un objet qui arrive et deux qui repartent. L'impulsion (vectorielle) et l'énergie de l'objet incident se partagent entre les deux objets finals. Cela pourrait être des boules de billard ou des billes en acier. Le fait que ce soit des photons et un électron ne change rien au principe.
Il suffit de souvenir qu'un photon d'énergie E a une impulsion égale à E/c.
Et selon l'angle de départ de l'électron, cela changera la répartition d'énergie, ainsi que l'angle du photon émis.
Le "recul", c'est le fait que l'électron part en effet avec un certain angle par rapport au photon incident et une certaine vitesse
Si on faisait un calcul de mécanique quantique sophistiqué, on pourrait imaginer un électron virtuel intermédiaire partant horizontalement, qui possède l'énergie et l'impulsion totale, puis qui émet un photon et un électron réel. Mais ce type de calcul n'a aucun intérêt, car la durée de vie d'un tel électron virtuel doit être inférieure à la femtoseconde, et il donnera de toutes façons le même résultat final. Autant considérer que le processus est instantané.

2) je vous ai déjà dit qu'en général, soit un photon traverse sans sourciller, soit son énergie est absorbée par la matière sous forme d'agitation thermique ce qui est du chauffage par rayonnement, soit il est retransmis avec un léger retard, et c'est alors de la propagation dans un milieu transparent.
Dans le cas de l'effet compton (rayon gamma ou X), c'est quand même la première possibilité qui est la plus fréquente : le photon diffusé continue hors de la cible, pour finir peut-être dans les capteurs qu'on a placés tout autour...

[XK150]

Re ,

N'est ce point assez complet ?

https://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusion_Compton

[Archi3]

Amis de la quantique , bonjour

En regardant les technologies de panneaux solaires, je suis dubitatif à propos de la diffusion Compton

Tout d'abord, mettons les choses au clair : le photon diffusé est bien un photon réémis (de fréquence plus basse) ? c'est à dire un nouveau photon créé ?

la question n'a pas vraiment de sens, les photons ne portent pas des étiquettes ni des marquages ADN ...

Et deuxième point : que deviennent les photons de faible énergie (i.e énergie insuffisante pour éjecter l'électron) lorsqu'ils rencontrent un électron sans pouvoir l'éjecter ?

d'avance merci

si l'électron ne peut pas être éjecté, il n'y a pas d'effet Compton : il pourrait y en avoir par la diffusion du photon par l'ensemble de l'atome, mais comme la masse est bien plus lourde, la perte d'énergie est négligeable (et la section efficace doit etre très faible si il n'y a pas résonance avec des niveaux excités).

[Christian Arnaud]

Bonjour,

Que n'avez-vous pas compris dans ma première réponse?
.

Bonjour et merci pour vos réponses ; je ne les avais pas lues assez attentivement , désolé

[Christian Arnaud]

la question n'a pas vraiment de sens, les photons ne portent pas des étiquettes ni des marquages ADN ...


s

Pas encore , mais ça viendra peut-être En tout cas, un photon est créé en un point de l'espace temps et détruit à un autre ; ils sont donc identifiables, et dans ce fil le photon incident et le photon émis ne sont pas de même énergie ni fréquence, ils ne peuvent donc être confondus

[Archi3]

Pas encore , mais ça viendra peut-être En tout cas, un photon est créé en un point de l'espace temps et détruit à un autre

ah bon? comment savez vous ça ?

[Christian Arnaud]

ah bon? comment savez vous ça ?

c'est Richard Feynman qui me l'a confié , un soir où il avait trop bu (et moi aussi

[Deedee81]

Salut,

Il me semble que le temps que je revienne, tout a été éclairci, sauf ça :

Pas encore , mais ça viendra peut-être En tout cas, un photon est créé en un point de l'espace temps et détruit à un autre ; ils sont donc identifiables, et dans ce fil le photon incident et le photon émis ne sont pas de même énergie ni fréquence, ils ne peuvent donc être confondus

La partie soulignée est fausse. Comme tout objet quantique, le photon a une certaine extension spatiale. Attention de na pas confondre un graphe de Feynman avec ce qui se passe physiquement. Le graphe de Feynman n'est qu'une modélisation (où l'on considère la particule comme ponctuelle) et il ne faut pas oublier que le résultat final est donné par des intégrales (sur tous les paramètres internes) = sommes d'une infinité de cas, et une somme d'une infinité de ces diagrammes (ça fait beaucoup d'additions ), dans ce processus le caractère ponctuel disparait.
Et en particulier, dans une diffusion, les "deux" photons ont un bref instant une zone de recouvrement et dire "créé ou diffusé" est une distinction qui n'a pas de sens physique.

De même un photon de longueur d'onde/fréquence parfaitement précise ça n'existe pas. C'est une idéalisation.... souvent utilisée (par exemple quand on construit l'espace d'état). Un tel photon aurait forcément une durée de vie éternelle dans le passé et le futur (onde sinusoïdale parfaite, on choisit même souvent l'onde plane parfaite, une onde plane de largeur infinie !!!!). Et de fait, même deux photons de fréquence différente, en fait de fréquence principale, le pic de sa distribution, ont une probabilité non nulle d'avoir.... la même fréquence. Là aussi dans le calcul on doit le vérifier (ce n'est pas fait dans tous les cours) en utilisant au moins une fois des distributions étalées (smeared en anglais) pour voir si ça ne modifie pas les résultats théoriques. Il s'avère que l'idéalisation marche assez bien, tant mieux, c'est plus facile

De plus, non, les photons ne portent pas d'étiquettes et non ça ne viendra pas. La raison est que les photons obéissent à la statistique de Bose-Einstein (et les fermions à celle de Fermi-Dirac) et ce comportement "tout ou rien" est relié de manière cruciale au fait que les photons sont indiscernables, au sens fort : s'ils pouvaient être distingués (même en principe, sans qu'on soit capable de le vérifier) alors la statistique BE ne pourrait s'appliquer et les photons obéiraient à la statistique de Maxwell-Boltzman. Et avec MB, pas de laser par exemple.

On sait qu'on n'est jamais à l'abri d'une nouvelle découverte, qu'une théorie peut toujours être remplacée par une nouvelle. Les certitudes théoriques sont rare, les certitudes expérimentales fréquentes, c'est le principe d'objectivité et le principe de réfutabilité de Popper. Alors quand on a une de ces rares certitudes théoriques basées sur ces certitudes expérimentales, faut pas cracher dessus. C'est trop rare pour faire le difficile Ces rares certitudes viennent toujours des cas "tout ou rien", des cas où le nombre de possibilités est fini par construction et des possibilités bien distinctes. C'est le cas avec les transformations de coordonnées (il n'y a que trois possibilités, au moins localement, Galilée, Lorentz et une troisième sans nom et qui viole la causalité. Ca se démontre, soit je algébriquement comme dans mon doc sur la RR, soit avec la théorie des groupes) ou avec les comportements statistiques. Merci dame nature de nous laisser quelques lumières dans le noir

[Deedee81]

On a eut un GROS croisement, voilà ce qui se passe quand on rédige une tartine.

ah bon? comment savez vous ça ?

Il ne sait pas, il a dit "peut-être" Mais j'ai de toute façon démenti en expliquant pourquoi ci-dessus.

c'est Richard Feynman qui me l'a confié , un soir où il avait trop bu (et moi aussi

[Christian Arnaud]

De plus, non, les photons ne portent pas d'étiquettes et non ça ne viendra pas. La raison est que les photons obéissent à la statistique de Bose-Einstein (et les fermions à celle de Fermi-Dirac) et ce comportement "tout ou rien" est relié de manière cruciale au fait que les photons sont indiscernables, au sens fort :

J'ai du mal à suivre , là , Deedee , il s'agit d'un seul photon émis (la conservation de l'énergie l'impose), donc pas de problème d'indiscernabilité ; on n'est pas sur de l'agitation thermique ou de l'équilibre thermodynamique, me semble-t-il

[Deedee81]

J'ai du mal à suivre , là , Deedee , il s'agit d'un seul photon émis (la conservation de l'énergie l'impose), donc pas de problème d'indiscernabilité ; on n'est pas sur de l'agitation thermique ou de l'équilibre thermodynamique, me semble-t-il

Regarde les diagrammes de Feynman, on peut avoir émission du second photon avant que l'autre ne soit absorbé (c'est un des deux diagrammes).
Ce n'est qu'une modélisation, bien entendu. Mais la question peut se poser : le second photon est-il un nouveau photon ou l'ancien qui a été diffusé ?
Ce que je dis c'est que la question n'a pas de sens physique, à cause de l'indiscernabilité et de l'incertitude de Heisenberg et non parce qu'un seul photon est émis.

Maintenant, si ça, ça ne te pose pas de problème, tant mieux je donnais juste quelques explications sur le message que je quotais.

[Christian Arnaud]

Je réagissais à cause de ta parenthèse sur la statistique de Bose Einstein et celle de Maxwell, et je ne voyais pas ce que l'approche statistique avait à voir avec l'émission d'un seul photon

[Archi3]

D'une façon générale, les notions de "localisation", "d'identité" , "d'absorption" , "d'émission" sont des images classiques dont il faut de méfier en mécanique quantique. Comme tout processus, l'effet Compton est la transition entre deux états quantiques, l'un avec un photon ayant une certaine direction et une énergie et un électron au repos dans un certain référentiel, et un autre avec un photon dans une autre direction et une autre énergie et un électron ayant une vitesse. Il faut voir ça comme une transition entre deux "états du champ" , qui , comme la radioactivité, n'a pas de localisation précise dans l'espace et dans le temps ... sauf quand on la mesure !

[Christian Arnaud]

D'une façon générale, les notions de "localisation", "d'identité" , "d'absorption" , "d'émission" sont des images classiques dont il faut de méfier en mécanique quantique..

oui, entièrement d'accord le plus piégeant me semble "l'identité" avec des phrases du genre : "un photon (ou un électron) est ....blablabla" ; on ne sait pas ce que c'est à part l'excitation minimale d'un champ (ce qui est une jolie périphrase pour dire qu'on n'en sait rien)

[Deedee81]

Salut,

Je réagissais à cause de ta parenthèse sur la statistique de Bose Einstein et celle de Maxwell, et je ne voyais pas ce que l'approche statistique avait à voir avec l'émission d'un seul photon

C'était pour insister sur le caractère indiscernable qui concerne forcément la (minuscule) période de la diffusion Compton où l'incertitude quantique ne permet pas de distinguer le photon reçut du photon émis, et comme ils n'ont pas non plus d'étiquette....

Un exemple bien décrit dans le livre de Feynman est la collision de deux électrons. S'ils ont ont des spins différents on peut les distinguer. Mais si ils ont le même spin, il serait faux de parler de "l'éectron 1" et "l'électron 2", ces deux électrons lorsqu'ils se heurtent sont impossible à distinguer, au sens fort, très fort, dans le sens qu'ils sont vraiment comme une "paire" d'électrons et non comme deux électrons qui pourraient porter des étiquettes ne fut-ce qu'en principe/théoriquement/en pensée. Et cela a une conséquence (cette fois c'est FD, Fermi-Dirac) : la probabilité de diffusion à 90° est nulle. Et plus généralement, la probabilité de diffusion en fonction de l'ange est fort affectée. Et cela peut se mesurer facilement et directement.

C'est ce genre de chose qui me fait dire que l'idée des "poupées russes" est fausse : on a découvert la matière, puis découvert qu'elle était formée de structures fibreuses, lamellaires, cristallines, puis d'atomes, et les atomes formés d'électrons et noyaux, et les noyaux de protons, neutrons, et ces nucléons de quarks et gluons. Et certains pensent que ça va continuer, qu'un jour on découvrira que les électrons sont formés de spidules (mot que je viens d'inventer ), puis que les spidules sont formés de glamouks puis ceux-ci de ..... etc à l'infini.

Si les objets avaient une structure interne aussi complexe même inconnue, on ne pourrait pas parler d'objets réellement identiques à ce point. Tout comme il est impossible d'avoir deux cailloux identiques à l'atome près. Les lois des grands nombres sont impitoyables.

Je pense donc qu'on a découvert les objets les plus élémentaires. Ou probablement peu s'en faut (les muons sont-ils des électrons dans un état excité ? Cela a-t-il un sens ? Cet état excité résulte-t-il d'une structure interne ou est-ce juste comme un système élémentaire à trois états électron-muons-tau relié à une symétrie qui nous échappe encore ?) Je n'exclus pas les cordes (de la théorie du même nom), même si je n'aime pas trop (je suis un boucliste ).

L'avenir est plein de promesses Espérons que le LHC mette enfin le doigt sur une nouvelle physique.

[Deedee81]

Désolé, encore un double croisement. J'y suis abonné.

[Christian Arnaud]

je suis un boucliste ).

Ouh là , tu as l'air en forme Je suppose que , par "boucliste" tu veux dire que tu adhères à la théorie de la gravitation quantique à boucles ? J'ai aussi été séduit par cette approche où le temps se crée lors des interactions au lieu d'être préexistant, mais c'est un peu trop compliqué pour moi , j'ai déjà du mal avec la théorie quantique des champs , alors.... la gravitation quantique..... même avec de jolies boucles..... je laisse ça aux grosses têtes

Par ailleurs ,je comprends maintenant ton souci de préciser l'indiscernabilité pendant le court instant de l'interaction, mais , néanmoins , d'un point de vue macro , le photon a changé de fréquence principale, donc d'énergie, donc on ne peut pas parler d'un seul photon , me semble-t-il

[Deedee81]

d'un point de vue macro , le photon a changé de fréquence principale, donc d'énergie, donc on ne peut pas parler d'un seul photon , me semble-t-il

Tout dépend de ce dont on parle alors oui, dans ce cas, c'est clair.

J'intervenais juste sur le point qui avait été soulevé au début : le photon diffusé ou absorbé/créé ? Ce qui nécessite d'aller plus "bas" que le macro.

[Archi3]

l'électron aussi a changé d'énergie, mais ça ne te gêne pas de dire que c'est le même ?

[Christian Arnaud]

Tout dépend de ce dont on parle alors oui, dans ce cas, c'est clair.

J'intervenais juste sur le point qui avait été soulevé au début : le photon diffusé ou absorbé/créé ? Ce qui nécessite d'aller plus "bas" que le macro.

Ok . Pour illustrer le propos , on peut parler de la diffusion Thomson (ou Raleigh ?), qui est un type de diffusion Compton mais à faible énergie, et dont l'énergie transmise à l'électron est négligée , ce qui fait que le photon ne perd pas d'énergie mais est juste dévié, et dans ce cas on peut parler de diffusion me semble-t-il

[Archi3]

elle est négligée mais elle n'est (en général) pas nulle : il y a transfert de quantité de mouvement au photon (∆p non nul), donc transfert de quantité de mouvement opposée à l'électron, et donc (en général) variation d'énergie des deux, sauf dans le référentiel barycentrique où la variation de chaque particule est nulle (remarque : meme dans le processus Compton à haute énergie, la variation d'énergie du photon est toujours nulle dans le référentiel barycentrique !)

D'une façon générale, la variation d'énergie dépendant du référentiel, ce n'est certainement pas un bon critère pour décider si c'est "la même" particule ou non. En relativité une collision élastique est une collision qui conserve le nombre et la nature de chaque particule : c'est le cas de la diffusion Compton.

[Deedee81]

l'électron aussi a changé d'énergie, mais ça ne te gêne pas de dire que c'est le même ?

Tu parles de la diffusion Compton là je suppose, pas de la diffusion électron-électron dont je viens de parler.

Là ça ne me gène pas d'en parler comme ça à cause de la conservation de la charge (entre autre). C'est forcément le même (c'est le cas dans tous les diagrammes de Feynman d'ailleurs).
Ceci dit, physiquement, ça n'a guère de sens non plus car les mêmes raisons que j'ai expliqué s'applique.

Ok . Pour illustrer le propos , on peut parler de la diffusion Thomson (ou Raleigh ?), qui est un type de diffusion Compton mais à faible énergie, et dont l'énergie transmise à l'électron est négligée , ce qui fait que le photon ne perd pas d'énergie mais est juste dévié, et dans ce cas on peut parler de diffusion me semble-t-il

C'est une bonne question là (ce qui veut dire que je ne sais pas quoi répondre , faudrait que je me penche plus près sur ces cas, je me souviens juste que la diffusion Thomson se retrouve à partir de Compton en prenant la limite E<<. Donc j'aurais tendance à dire que la façon de voir les choses dépend du cadre théorique, comme ça arrive souvent).

[Christian Arnaud]

l'électron aussi a changé d'énergie, mais ça ne te gêne pas de dire que c'est le même ?

non , pas du tout ; un électron peut être accéléré ou décéléré (comme dans un ancien tube cathodique ou un accélérateur de particules), il reste un électron ; la vitesse, l'impulsion et l'énergie cinétique ne sont pas des caractéristiques intrinsèques de cette particule comme la masse et la charge ; alors que pour un photon , c'est différent , sa fréquence principale (et donc son énergie) sont intrinsèques.
Mais ,là , j'ai l'impression que tu cherches à pinailler , non ?