Le photon est le quantum d'énergie associé à une onde électromagnétique : une particule de masse nulle se déplaçant à la célérité \(c\). Son énergie \(E\) est directement proportionnelle à la fréquence \(\nu\) de l'onde :
\[E = h\nu = \dfrac{hc}{\lambda}\]
avec \(h = 6{,}626 \times 10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}\) (constante de Planck) et \(c \approx 3{,}00 \times 10^{8}\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\). À l'échelle atomique, on utilise couramment l'électronvolt : \(1\ \mathrm{eV} = 1{,}602 \times 10^{-19}\ \mathrm{J}\).
Les niveaux d'énergie d'un atome sont quantifiés : seules certaines valeurs discrètes \(E_n\) sont permises. Une transition entre deux niveaux \(E_1 < E_2\) échange un photon d'énergie exactement égale à l'écart entre ces niveaux :
\[\Delta E = |E_2 - E_1| = h\nu = \dfrac{hc}{\lambda}\]
- Émission : l'atome passe de \(E_2\) à \(E_1 < E_2\) et émet un photon d'énergie \(E_2 - E_1\).
- Absorption : l'atome passe de \(E_1\) à \(E_2 > E_1\) en absorbant un photon d'énergie exactement égale à \(E_2 - E_1\) (condition de résonance) — tout photon d'une autre énergie n'est pas absorbé.
Pièges classiques :
- Sens de variation : l'énergie d'un photon augmente avec la fréquence \(\nu\) et diminue avec la longueur d'onde \(\lambda\) — piège fréquent en UV/IR.
- Émission ≠ absorption : l'absorption est un gain d'énergie pour l'atome, l'émission une perte ; ne pas inverser le sens.
- Unités : vérifier la cohérence eV/J avant toute application numérique — une conversion oubliée introduit une erreur d'un facteur \(10^{19}\).