3_synth_doc_corps_noir

SYNTHÈSE DE DOCUMENTS
En une trentaine de lignes, synthétisez ces documents concernant la définition d'un corps noir et
les lois qui le régissent.
Le corps noir est ... noir
D'où vient le terme corps noir ? ... Notons tout d'abord que l'examen du spectre visible, qui ne
comporte aucune partie noire et brillante, rappelle que le noir est, plutôt qu'une couleur, une
absence de couleur.
Un corps absorbant apparaît noir.
Exemples
La photo d'une façade montre des murs violemment éclairés, et des fenêtres très sombres dès
lors que les vitres sont ouvertes. Il apparaît que les photons solaires sont bien réfléchis dans un
cas, mais dans l'autre ont singulièrement disparu. Diffusés dans la pièce derrière la vitre, bien peu
de ces photons sont ressortis, et ceci explique le contraste de luminosité entre la façade et les
fenêtres ouvertes.
Les différents détecteurs, qui ont pour fonction de capter la lumière visible, apparaissent noirs
: ils ne réfléchissent guère la lumière !
Les détecteurs optiques ont pour mission de rendre compte de l'information lumineuse. Cette
opération nécessite l'absorption des photons. La figure de quelques détecteurs, dont la pupille de
l'œil humain, montre qu'effectivement ils apparaissent noirs.
Un corps noir peut être coloré
Une étoile, le Soleil par exemple, est présenté comme un corps noir. A basse résolution
spectrale, le spectre du soleil se superpose à celui d'un corps noir de température 5777 K. Et
pourtant rien n'est moins noir que le soleil. Il apparaît donc nécessaire de donner une définition
précise de ce qu'est un corps noir... qui peut être coloré.
Définition
- Un corps noir est un corps idéal totalement absorbant à toute radiation électromagnétique.
- Un exemple de corps noir consiste en une enceinte isotherme munie d'une toute petite ouverture.
Un exemple : le Soleil
... Le soleil est très absorbant pour ses propres photons. Son spectre
a l'allure de celui d'un corps noir. Il est vrai que s'y superposent des raies d'absorption :
- l'allure de corps noir rend compte de l'équilibre thermique global
- les raies du spectre rendent compte de la nature intime entre sa matière et son rayonnement.
Sa température d'équilibre explicite à elle seule la distribution spectrale de son rayonnement.
Qu'est-ce qu'un corps "pas noir" ? Plusieurs phénomènes sont irréductibles au corps noir :
- un miroir est par définition très réfléchissant, et ne peut donc pas être absorbant. Il n'y a
aucun équilibre entre un miroir et le flux lumineux qu'il réfléchit.
- Le rayonnement émis par une lampe à vapeur spectrale obéit à des règles de quantification
énergétiques fixées par la nature du gaz qui émet le rayonnement. La position des raies d'émission
dépend de la nature de l'élément, et pas de sa température.
http://media4.obspm.fr/public/FSU/pages_corps-noir/absorbant-observer.html
1
En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que
de sa température.
Le nom corps noir a été introduit par le physicien Gustav Kirchhoff en 1862. Le modèle du corps
noir permit à Max Planck de découvrir la quantification des interactions électromagnétiques, qui fut
un des fondements de la physique quantique.
Le corps noir est un objet idéal qui absorberait toute l'énergie électromagnétique qu'il recevrait,
sans en réfléchir ni en transmettre. Il n'est fait aucune autre hypothèse sur la nature de l'objet.
La lumière étant un rayonnement électromagnétique, elle est absorbée totalement et l'objet
devrait donc apparaître noir, d'où son nom. Cependant, compte tenu qu'un pareil corps pourrait
émettre de la lumière sous l'effet d'augmentation de sa température, il n'est pas correct
d'affirmer que le corps noir paraîtrait noir dans toutes les conditions.
L'objet réel qui se rapproche le plus de ce modèle est l'intérieur d'un four. Afin de pouvoir étudier
le rayonnement dans cette cavité, une de ses faces est percée d'un petit trou laissant s'échapper
une minuscule fraction du rayonnement interne. C'est d'ailleurs un four qui fut utilisé par Wien
pour déterminer les lois d'émission électromagnétique en fonction de la température. Les parois de
l'intérieur de l'enceinte émettent un rayonnement à toutes les longueurs d'ondes : théoriquement
des ondes radio aux rayons X. Cette émission est due à l'agitation des atomes. ...
Chaque paroi du four émet et absorbe du rayonnement. Il y a ainsi échange d'énergie entre les
parois, jusqu'à ce que l'objet atteigne l'équilibre thermique. La répartition de la quantité d'énergie
émise, en fonction de la longueur d'onde, forme le spectre. Celui-ci est la signature d'un
rayonnement purement thermique. Il s'appelle donc spectre du corps noir et ne dépend que de la
température du four.
Le spectre « continu » (donc en négligeant les raies spectrales) des étoiles (ou en tous cas pour la
grande majorité des étoiles ni trop froides ni trop chaudes) est un spectre de corps noir.
Exemples de spectres de corps noir, sur un
diagramme de l'énergie en fonction de la
longueur d'onde. Quand la température est
élevée, le pic de la courbe se déplace vers les
courtes longueurs d'ondes, et inversement pour
les plus basses températures. La courbe en noir
indique la prédiction de la théorie dite classique,
par opposition à la théorie quantique, qui seule
prédit
la
forme
correcte
des
courbes
effectivement observées.
Au début des travaux sur le corps noir, les calculs de l'énergie totale émise donnaient un résultat
surprenant : l'objet émettait une quantité infinie d'énergie ! ... La mécanique classique est là prise
en défaut et Max Planck en a conclu que le modèle utilisé pour calculer l'énergie totale était
erroné.
Dans un mémoire intitulé Sur la théorie de la loi de la distribution d'énergie sur un spectre normal
et présenté le 14 décembre 1900, Planck expose ses déductions faites sur ce problème et propose
alors l'hypothèse des quanta : l'énergie n'est pas émise de manière continue, mais par paquets dont
la taille E dépend de la longueur d'onde : E = h c / 
Cela lui a valu le prix Nobel de physique en 1918. La découverte de cette quantification des
échanges d'énergie fut un des fondements de la physique quantique ; ... cela permit à Einstein
d'inventer le concept de photon en 1905, qui lui valut son prix Nobel de physique en 1921.
extrait du site wikipédia http://fr.wikipedia.org/wiki/Corps_noir
2
Le corps noir
Rayonnement du corps noir
Les caractéristiques d'un rayonnement sont liées aux conditions pysico-chimiques de a matière :
composition, pression, température...
La température est la mesure de l'agitation (l'énergie cinétique) de constituants d'un milieu. ...
Dans le cas d'un corps absolument opaque, parfaitement isolé et à température constante, la
distribution spectrale est strictement liée à la seule température. Ce cas théorique est appelé
"corps noir". En première approximation, une étoile peut être assimilée à un corps noir (presque)
parfait ; la perte en énergie rayonnée restant négligeable devant celle contenue à l'intérieur de
l'étoile.
Les lois déterminant l'état de la matière dans un corps noir s'appuient sur des études théoriques
et expérimentales.
...
La loi de Stefan
En 1879, à partir de résultats expérimentaux, Josef STEFAN (1838-1893) déterminer une loi
empiruque décrivant que l'énergie totale (E) émise par seconde et par unité de surface (D) d'un
corps noir est proportionnelle à la puissance quatre de sa température (T) :
E = S  T4
où  est la constante de Stefan et vaut : 5,67  10-8 W m-2 K-4.
En considérant une étoile sous la forme d'une sphère rayonnant comme un corps noir, cette relation
devient :
E = 4  R2  T4, avec S = 4  R2.
Pour deux étoiles présentant la même température de surface, la plus grosse émettra plus
d'énergie. Pour une variation double de la température, une étoile émettra seize fois plus d'énergie
à rayon égal. La loi de Stefan permet donc de retrouver la dimension d'une étoile, il faut cependant
mesurer la puissance de l'énergie sur toute la bande spectrale, une étoile émettant bien au-delà du
spectre visible.
En 1884, Ludwing BOLTZMANN (1844-1906) apportera une confirmation théorique en retrouvant
la loi de Stefan à partir des relations fondamentales de la thermodynamique. Pour cette raison,
cette relation est également connue sous le nom de Stefan-Boltzmann.
La loi de Wien
En analysant des spectres de corps noirs à différentes températures, Wilhelm WIEN (1864-1928)
découvre, en 1893, que la distribution de leurs émissions passe par un maximum, ce dernier étant
inversement proportionnel à la température. Plus la température devient élevée, plus la longueur
d'onde du pic d'émission diminue (la fréquence et l'énergie augmentent). Cette relation
"température-couleur" s'exprime ainsi :
max = (2,90  10-3) / T
avec la longueur () et la température (T) exprimées dans la Système international d'unités.
pour le Soleil, le maximum d'émission se situe vers 500 nm (lumière jaune-verte), sa température
de surface vaut : T = (2,90  10-3) / (0,50  10-6) = 5 800 kelvins.
3
extrait du site http://www.astro-rennes.com/initiation/corps_noir.php
Simulation spectre corps noir :
http://media4.obspm.fr/public/FSU/pages_corps-noir/spectre-corps-noir-simuler.html
4