RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LE FONCTIONNEMENT DES TUBES À NÉON ET SUR L

GONZALEZ
Marion
RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LE FONCTIONNEMENT DES TUBES À NÉON ET
SUR L’EFFET LASER
Colorés et scintillants sur les enseignes commerciales ou blafards dans notre cuisine ou
nos anciennes salles de classe, les tubes néons prennent des formes diverses et variées
dans de nombreuses couleurs. Mais en fait, comment fonctionnent-ils?
Le mot néon vient du grec néos qui signifie nouveau. Le néon est un gaz rare
monoatomique et inerte chimiquement, sa concentration est de l’ordre de 0,001% de
l’air. Il est découvert par Sir William Ramsay et Morris Travers en 1897, son symbole est
Ne. Ce gaz contenu à faible pression dans un tube muni d’électrodes et préalablement
vidé et dégazé va s’ioniser sous l’effet d’une tension [Volts] et il va émettre une lumière
rouge. En 1910 les travaux de Georges Claude chimiste français, sur la décharge
électrique au travers de gaz enfermé dans des tubes vont aboutir à l’invention du tube
luminescent haute tension qui prendra le nom de tube au néon dès son utilisation au
Grand Palais en 1910 et pour réaliser des enseignes lumineuses en 1912.
La mise au point du tube luminescent au néon et par la suite des tubes fluorescents haute
et basse tension est l’aboutissement d’une succession d’inventions et de découvertes au
19ème puis au 20ème siècle.
Principe de fonctionnement
Néon - (a) : constitution, (b) : éclairage collectif.
Le tube fluorescent ou le tube à néon est constitué d'un cylindre de verre qui contient
un gaz à basse pression constitué d’un mélange de vapeur de mercure et d’un gaz noble.
Lorsqu’on met ce tube sous tension, des électrons sont émis par les deux électrodes de
tungstène. Lors de leur trajet au travers de ce tube, ils vont entrer en collision avec les
atomes de mercure. Il en résulte une libération d’énergie sous forme de rayonnement
ultraviolet invisible, l’être humain n’est pas capable de percevoir ce rayonnement. Il a
donc fallu trouver un moyen de rendre ce rayonnement visible. Ce rayonnement va
donc être absorbé par une couche fluorescente présente sur la face interne du tube et
converti en rayonnement visible. La poudre fluorescente présente à l’intérieur du tube
permet de rendre visible ce rayonnement.
La température de couleur de la lumière émise dépend de la composition chimique de
la poudre fluorescente placée à l’intérieur du tube. Comme toutes les lampes à
décharge, le tube fluorescent a besoin pour fonctionner d’un starter, d’un ballast et d’un
condensateur pour compenser le mauvais cos φ.
Le laser : principe de fonctionnement
Un laser est une source lumineuse qui produit un rayonnement monochromatique
rectiligne. Le mot laser est l'acronyme de "Light Amplification by Stimulated Emission
of Radiation" ce qui signifie "Amplification de lumière par émission stimulée de
rayonnement".
Le premier laser a vu le jour en mai 1960, dans un petit laboratoire industriel à Malibu
en Californie. Il s’agissait d’un laser à rubis, fonctionnant en impulsions dans le rouge.
Son inventeur, Theodore Maiman, cré ait ainsi le premier « maser optique »,
concré tisant la proposition faite deux ans plus tô t par Arthur Schawlow et Charles
Townes de ré aliser un oscillateur optique, sur le modè le des masers inventé s en 1954
dans le domaine des micro-ondes.
L’effet laser se manifeste aussi bien dans les solides (lasers à rubis) que dans les
liquides (lasers à colorants) et les gaz (laser à argon, à CO2).
Le principe physique du laser repose sur l’émission stimulée, principe qui a été décrit
en 1917 par Einstein. L’effet laser a sa source au niveau atomique, il fait intervenir trois
phénomènes physiques qui décrivent l’interaction d’un atome avec la lumière.
- l'absorption : correspond à un atome qui reçoit de l’énergie, il peut passer d’un état n
à n’, avec n>n’. L’électron reçoit un photon, il est donc plus excité et peut passer sur un
niveau d’énergie supérieur.
- l'émission spontanée : l'atome excité peut revenir dans son état initial, appelé « état
fondamental », en émettant un photon de même longueur d'onde que celui qu'il avait
absorbé pour passer dans l'état excité. Il passe donc d’un état n’ a n, avec n<n’.
- l'émission stimulée : lorsqu'un atome déjà excité reçoit un photon, ce photon peut «
déclencher » la désexcitation de l'atome. L'atome va alors émettre un deuxième photon,
de même longueur d'onde que celui qu'il a reçu, mais aussi dans la même direction et
avec la même phase que le premier. L'atome excité joue alors le rôle de
« photocopieuse à photons ».
Les éléments constitutifs d’un laser sont :
-un milieu actif amplificateur, composé d’atomes que l’on va exciter ou pomper. C’est
un milieu qui peut être solide, liquide ou gazeux.
-un système de pompage permettant de réaliser une inversion de population au sein du
milieu actif (excitation extérieur qui demande beaucoup d’énergie)
-une cavité optique ou résonateur optique qui va permettre le bouclage du dispositif et
qui va imposer au faisceau é mis ses caracté ristiques spatiales (directioon, divergence)
et temporelles (spectre de fré quences).
Une partie de l’é nergie lumineuse pré sente dans la cavité s’en é chappe : c’est l’é mission
du faisceau laser. Pour conclure le laser est l’une des invention les plus marquantes du
vingtième siècle avec l’informatique et internet.
SOURCES :
http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/eclairage-Delorme.xml
Le néo-néon sera écologique par Sebastián Escalón [Journal du CNRS n°197 - 2006]
Histoire de l’électricité - De l’ambre à l’électron par Gérard Borvon [Edition Vuibert 2009
Reflets de la physique numéro 21 (2010)/Le Bup n°927
Revue d’histoire des sciences et de leurs applications, tome 16,n°4,1963.