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Chapitre 10 • Le photon : une introduction à la physique quantique
10.1.2 La lumière, c'est combien de photons?
Le spectre de la lumière visible se situe autour de la longueur d' onde de 600 nm, et la
fréquence associée est d'environ v = 500 THz. L'énergie d'un photon visible est donc
de l'ordre de E = hv ~ 4.10- 19 J. On remarque que c'est de l'ordre de l'électron-Volt
(1,6.10- 19 J). Le photon a donc une énergie très petite, qui est néanmoins détectable
par des détecteurs suffisamment sensibles. Pour se rendre compte de l'énergie du
photon on peut utiliser l'unité traditionnelle du nombre de particules individuelles
dans le monde macroscopique: la mole. Une mole de photons contient une énergie de
6.10 23 x4.10- 19 ~ 200 kJ. Une ampoule électrique qui émet une puissance lumineuse
d'une dizaine de Watt émet 0,00005 mol de photons par seconde, autrement dit avec
une mole de photons on peut éclairer une pièce pendant environ 5 heures 30 ! Ainsi,
avec une simple pile on peut alimenter une lampe pendant des dizaines d'heures (les
moles de réactif dans la pile étant directement transformées en moles de photons)
1 •
On peut aussi prendre l'exemple du pointeur laser qui délivre une puissance lumineuse d'l mW. En divisant cette puissance par hv == 4.10- 19 J, on obtient le flux
numérique de photons, qui est d'environ 2,5.10 15 photons par seconde, tous de même
fréquence et se propageant dans la même direction.
10.1.3 La détection des photons
La détection des photons est assurée par divers dispositifs :
• les bolomètres, ou Wattmètres, détectent la puissance lumineuse par l'effet
d'échauffement produit par la lumière. La plupart fonctionnent avec des flux de
photons importants, correspondant à des puissances lumineuses macroscopiques,
où la « granularité » de la lumière n' est pas visible. Certains, refroidis à la température de !'Hélium liquide, sont suffisamment sensibles pour mesurer l'échauffement
produit par un seul photon !
• les photodiodes sont basées sur l'effet photoélectrique, où, comme nous venons
de le voir, des électrons sont arrachés à la matière sous l'effet des photons incidents. Le courant d'électrons ainsi créé est proportionnel à la puissance lumineuse
P. Lorsqu'on atténue fortement la lumière pour atteindre des puissances de l'ordre
de 10- 15 w et qu'on utilise des photodiodes suffisamment sensibles, on constate
comme dans l'exemple de la mesure de la distance Terre-Lune que le courant mesuré ne diminue pas uniformément : il apparaît comme formé de brèves « bouffées »
de courant ou «clics», de formes identiques, correspondant à l'arrivée aléatoire
des photons, arrivées de plus en plus rares lorsqu'on diminue l'éclairement. C'est
le recouvrement de ces« bouffées » lorsqu'on augmente la puissance incidente qui
1. Pour plus de détail s voir J. M. Courty et N. Treps, « La Lumière, c' est combien de photons ?»,
Dossier Pour la Science 53, octobre-novembre 2006.
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Chapitre 10 • Le photon : une introduction à la physique quantique
10.1.2 La lumière, c'est combien de photons?
Le spectre de la lumière visible se situe autour de la longueur d' onde de 600 nm, et la
fréquence associée est d'environ v = 500 THz. L'énergie d'un photon visible est donc
de l'ordre de E = hv ~ 4.10- 19 J. On remarque que c'est de l'ordre de l'électron-Volt
(1,6.10- 19 J). Le photon a donc une énergie très petite, qui est néanmoins détectable
par des détecteurs suffisamment sensibles. Pour se rendre compte de l'énergie du
photon on peut utiliser l'unité traditionnelle du nombre de particules individuelles
dans le monde macroscopique: la mole. Une mole de photons contient une énergie de
6.10 23 x4.10- 19 ~ 200 kJ. Une ampoule électrique qui émet une puissance lumineuse
d'une dizaine de Watt émet 0,00005 mol de photons par seconde, autrement dit avec
une mole de photons on peut éclairer une pièce pendant environ 5 heures 30 ! Ainsi,
avec une simple pile on peut alimenter une lampe pendant des dizaines d'heures (les
moles de réactif dans la pile étant directement transformées en moles de photons)
1 •
On peut aussi prendre l'exemple du pointeur laser qui délivre une puissance lumineuse d'l mW. En divisant cette puissance par hv == 4.10- 19 J, on obtient le flux
numérique de photons, qui est d'environ 2,5.10 15 photons par seconde, tous de même
fréquence et se propageant dans la même direction.
10.1.3 La détection des photons
La détection des photons est assurée par divers dispositifs :
• les bolomètres, ou Wattmètres, détectent la puissance lumineuse par l'effet
d'échauffement produit par la lumière. La plupart fonctionnent avec des flux de
photons importants, correspondant à des puissances lumineuses macroscopiques,
où la « granularité » de la lumière n' est pas visible. Certains, refroidis à la température de !'Hélium liquide, sont suffisamment sensibles pour mesurer l'échauffement
produit par un seul photon !
• les photodiodes sont basées sur l'effet photoélectrique, où, comme nous venons
de le voir, des électrons sont arrachés à la matière sous l'effet des photons incidents. Le courant d'électrons ainsi créé est proportionnel à la puissance lumineuse
P. Lorsqu'on atténue fortement la lumière pour atteindre des puissances de l'ordre
de 10- 15 w et qu'on utilise des photodiodes suffisamment sensibles, on constate
comme dans l'exemple de la mesure de la distance Terre-Lune que le courant mesuré ne diminue pas uniformément : il apparaît comme formé de brèves « bouffées »
de courant ou «clics», de formes identiques, correspondant à l'arrivée aléatoire
des photons, arrivées de plus en plus rares lorsqu'on diminue l'éclairement. C'est
le recouvrement de ces« bouffées » lorsqu'on augmente la puissance incidente qui
1. Pour plus de détail s voir J. M. Courty et N. Treps, « La Lumière, c' est combien de photons ?»,
Dossier Pour la Science 53, octobre-novembre 2006.
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