Les minuscules constituants de la lumière et des ondes électromagnétiques
La lumière est composée d’ondes individuelles appelées photons. Chacune transporte une minuscule quantité d’énergie que Max Planck et Albert Einstein appelèrent quantum quand ils établirent la nature granulaire de la lumière.
Le photon : une onde élémentaire
Un photon est une minuscule onde électromagnétique. Les quantités qui oscillent dans l’espace et le temps sont les champs magnétiques et électriques emportés par l’onde élémentaire. Une onde au sens classique qui comporte une infinité d’oscillations ne peut être localisée. Le nombre d’oscillations des photons émis par les atomes et les noyaux n’est pas infini en raison d’une petite incertitude sur leur énergie. Ceci permet une certaine localisation. Plus la longueur caractéristique de l’oscillation (la longueur d’onde) est courte, plus l’onde est concentrée dans l’espace. Quand la longueur d’onde devient très petite, ce qui est le cas des photons gamma, le photon commence à ressembler à une particule.
© IN2P3
Les photons ne véhiculent pas seulement de la lumière, contrairement à ce pourrait laisser supposer l’origine grecque de leur nom. Les ondes lumineuses ont la vertu d’impressionner notre rétine, mais il existe bien d’autres photons que nous ne voyons pas et qui sont de même nature.
On englobe sous le nom de photons toute une variété de rayonnements électromagnétiques allant des ondes radios aux rayons X puis aux rayons gamma, en passant par les infrarouges, la lumière visible et les ultraviolets.
Trois gammes de photons
L’énergie d’un photon varie en sens inverse de sa longueur d’onde. Un photon lumineux est généralement émis par une molécule. Son énergie est de quelques électronvolts et sa longueur d’onde une fraction de micron (millième de millimètre). Un rayon X est émis par les couches profondes de l’atome : son énergie peut atteindre une centaine de milliers d’électronvolts (keV). Sa longueur d’onde, de l’ordre du milliardième de mètre (nanomètre), se compare aux dimensions de l’atome. Les rayons gamma sont émis par les noyaux. Leur énergie est encore plus grande et leur longueur d’onde devient comparable aux dimensions du noyau.
© IN2P3
Comme toute onde, la lumière se propage. La vitesse de propagation de la lumière dans le vide, et plus généralement celle des ondes électromagnétiques, est la plus grande que l’on connaisse. Il est impossible d’aller plus vite. Il est aussi impossible de ralentir un photon, une réalité que les physiciens traduisent en disant qu’il est sans masse. L’impossibilité de dépasser la vitesse de la lumière dans le vide, cette vitesse est une constante fondamentale de la physique, est le fondement de la théorie de la relativité d’Einstein.
La relativité du temps n’a pas d’impact dans notre vie quotidienne … Par contre, en physique de particules, où les physiciens étudient des corpuscules dont la vitesse se rapproche de celle de la lumière, ceux-ci observent bien les effets de la relativité dans leurs appareillages.
Des infra-rouges … aux gamma
La figure montre le même objet céleste – la nébuleuse du Crabe – vue par des photons très différents : des infra-rouges, des photons du visible, des rayons X et des rayons gamma. Tous ces photons ont la même nature, bien que leur longueur d’onde (la couleur dans le visible) et leur énergie soient très différentes. L’image avec les rayons gamma de haute énergie a été obtenue grâce au dispositif de 4 télescopes de l’expérience HESS pour identifier et mesurer la direction des gamma de très haute énergie.
© IN2P3/LPNHE
Grain d’énergie, le photon est caractérisé par son énergie. Onde élémentaire, il l’est aussi par sa longueur d’onde. Albert Einstein a montré que le produit de l’énergie par la longueur d’onde est une constante, dont la valeur est 1,24 électronvolt-micron si l’on choisit des unités d’énergie (électronvolt) et de longueur (micron) adaptées aux photons lumineux.
Selon cette formule, plus l’énergie d’un photon est élevée, plus sa longueur d’onde est courte et inversement. L’énergie des photons rayonnés par les noyaux est environ un million de fois celle des photons lumineux émis par une molécule, ou un atome. Ces rayonnements, découverts par Paul Villard en 1899, ont été appelés photons gamma. Leurs longueurs d’onde très courtes font des rayons gamma des objets ramassés et compacts, capables de traverser facilement des atomes, donc très pénétrants.
Les gamma émis par les noyaux ont des énergies de l’ordre du million d’électronvolts (MeV). En physique des particules, on s’intéresse à des gamma d’énergie beaucoup plus grande, pouvant atteindre des milliers de MeV oh GeV, voir davantage.
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