Leçons de niveau 12

Lumière et objets/Les deux types d'émission de lumière

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Les deux types d'émission de lumière
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Chapitre no 2
Leçon : Lumière et objets
Chap. préc. :Composition d'un lumière
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L'incandescence, émission de lumière par un corps chaud[modifier | modifier le wikicode]

Un corps chaud émet de la lumière, c'est l'incandescence.

Les radiations émises peuvent appartenir au domaine visible ou non selon la température du corps.

Par exemple, le corps humain émet dans les infrarouges (IR).

Le spectre lumineux d'un corps chaud est continu mais les différentes radiations ne sont pas émises avec la même intensité.

Une étoile ayant une température de surface de 3 500 °C émet toutes les radiations lumineuses du vert jusqu'au rouge. Les radiations rouges sont émises avec plus d'intensité que les radiations vertes. Notre système de vision fait la synthèse additive de toutes ces radiations et nous percevons l'étoile orange.
Une étoile ayant une température de surface de 6 000 °C émet toutes les radiations lumineuses du bleu jusqu'au rouge. Les radiations vertes sont émises avec plus d'intensité que les autres radiations. Notre système de vision fait la synthèse additive de toutes ces radiations et nous percevons l'étoile blanche/jaune.

Les radiations émises et leur intensité dépendent de la température du corps chaud. Plus le corps est chaud et plus le corps émettra des radiations bleues avec un maximum d'intensité.

La couleur perçue du corps chaud est le résultat de la synthèse additive de toutes les radiations qu'il émet.

Le spectre solaire en relation à la luminance

La loi de Wien permet de relier la longueur d'onde λmax (en mètre) de la radiations émise avec le maximum d'intensité par un corps chaud à sa température T (en kelvin) par la relation :

Le 0 K correspond à la température la plus basse qu'on puisse obtenir, soit −273,15 °C.

La relation de conversion entre une température T en kelvin et une température θ en degré Celsius est :

La luminescence[modifier | modifier le wikicode]

Le principe de base[modifier | modifier le wikicode]

Un atome peut absorber de l'énergie, il est alors dans un état excité. Les atomes excités vont libérer des quantités d'énergie rayonnante bien précises appelées quantim d'énergie.

En 1905, Albert Einstein propose un modèle corpusculaire de la lumière : 1 quantum d'énergie est transporté par 1 photon (particule de lumière).

Cependant, certaines expériences montrent que la lumière possède aussi un comportement ondulatoire.

C'est la dualité onde-corpusculaire de la lumière.

Schéma de l'absorption et de l'émission d'énergie d'un atome
Image du comportement ondulatoire de la lumière par luminescence

La lumière pouvant se comporter comme une onde, on peut associer aux photons des caractéristiques ondulatoires :

  • sa période (durée d'un motif élémentaire), notée T, s'exprime en seconde (s).
  • sa fréquence (nombre de motifs en 1 seconde), notée ν (nu), s'exprime en hertz (Hz) et se calcule par :
  • sa vitesse, appelée célérité pour les ondes, se note c et s'exprime en metre par seconde (m⋅s−1).
  • sa longueur d'onde qui correspond à la distance parcourue par l'onde pendant une période T, se note λ et s'exprime en mètre (m).

En utilisant la relation de la vitesse , on en déduit que :

Le quantum d'énergie Ephoton transporté par un photon peut alors se déterminer par la relation :

  • h : constante de Planck (6,63 × 10−34 J⋅s)
  • c : célérité de la lumière dans le vide (3,00 × 108 m⋅s−1)
  • λ : longueur d'onde du photon et donc de la radiation monochromatique

Pourquoi les atomes excités émettent-ils que certaines radiations monochromatiques par luminescence ?[modifier | modifier le wikicode]

Le spectre d'emission de l'hydrogène
Le spectre d'emission du néon

A l'aide des deux exemple ci-dessus, on peut constater qu'un atome ne peut émettre que certaines radiations et que ces radiations sont différentes pour chaque atome.

En 1913, Niels Bohr propose un modèle permettant d'expliquer ce phénomène :

A chaque répartition des électrons d'un atome sur ses couches électroniques (K, L, M…) correspond un niveau d'énergie de l'atome associé à une quantité d'énergie bien précise.

Lorsqu'un atome reçoit une certaine quantité d'énergie extérieure (par électrolyse, ou une réaction chimique), un électrons change de couche électronique et l'atome passe à un niveau d'énergie supérieure. L'atome est alors dans un état excité.

Les niveaux d'énergie d'un atome d'hydrogène (où 1 eV = 1,60 × 10−19 J)

Lorsque l'atome émet un photon, un électron revient dans une couche électronique inférieure et l'atome révient également dans un niveau d'énergie inférieure.

La quantité d'énergie qu'absorbe ou émet l'atome doit exactement correspondre à la différence d'énergie entre le niveau d'énergie initial et le niveau d'énergie final.