Cours - PhyZik
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A4 Sources de lumière Comment modifier les caractéristiques de la lumière émise par une source ? La matière joue-t-elle un rôle dans l’émission de la lumière ? I - Les sources de lumière 1) Différentes sources de lumière Matériel : spectres avec le spectroscope Ulice et la fibre pour différentes sources : lampe à incandescence, lampe fluo, laser , DEL blanche ou de couleur, lampe au sodium Peu faire l’objet d’une séance en demi-groupe. Qu’elle soit d’origine naturelle ou artificielle, la lumière correspond à un rayonnement électromagnétique dont nous pouvons faire le spectre : Lampe à filament Spectre polychromatique d’origine thermique Soleil Idem Lampe fluorescente Spectre polychromatique obtenu sous l’effet de décharges électriques dans un gaz Laser Spectre monochromatique (laser rouge) obtenu par émission stimulée d’un gaz. DEL Lampe au Sodium Spectre polychromatique obtenu sous l’effet d’un courant électrique dans un semiconducteur. (DEL blanche) Spectre monochromatique obtenu par décharges électriques dans un gaz. Une source de lumière monochromatique n’est composée que d’une seule radiation (couleur) caractérisée par une longueur d’onde λ. Ex : λLaser He-Ne = 632,8 nm Le rayonnement émis par ces sources peut être d’origine thermique c’est à dire par incandescence (lampe à filament, soleil) ou alors fluorescent (lampe fluorescent, laser, DEL, lampe au sodium) 2) Couleur spectrale Manipulation Jean Pol : Source Sodium ou 2 Sources de lumière blanche avec une un filtre vert et l’autre un filtre rouge (celle à 3 faisceaux avec du scotch opaque sur les 2 autres faisceaux inutilisés) avec fente, Réseau et au bout le spectro ULICE avec une feuille de papier avec trou au niveau de la fibre optique. Lampe au Sodium Spectre monochromatique obtenu par décharges électriques dans un gaz. Lumières vertes et rouges spectre polychromatique correspondant à la synthèse additive des deux lumières. Les deux lumières sont perçues jaunes sur un écran. Elles produisent la même sensation de couleur mais leurs spectres sont bien différents. Il faut donc faire la différence entre la couleur perçue et la couleur spectrale. II - Les rayonnements sont-ils tous visibles ? Les ondes électromagnétiques dites « visibles » sont perçues par le système visuel humain. Le domaine visible correspond à des radiations de longueurs d’ondes λ comprises entre 380 nm et 780 nm. Il est limité par les ultra-violets ( λ < 380nm ) et les infrarouges ( λ > 780 nm ). III – La lumière émise par une source chaude dépend-elle de sa température ? Expérience : lampe à filament montée sur un alternostat + spectroscope à fibre optique La lampe à filament peut être assimilée à un « corps noir » c'est-à-dire qu’elle absorbe toutes les radiations qu’elle reçoit et émet des radiations avec toutes les longueurs d’onde quand elle est chauffée. Toutes ces radiations ne sont pas émises avec la même intensité. A basse température, le filament de l’ampoule apparait rouge. Il semble ensuite jaune quand la température augmente puis blanc à haute température. La longueur d’onde λmax de la radiation émise avec le maximum d’intensité dépend de la température de la source. Elle suit la loi de Wien : λmax.T = constante = 2,898.10-3 m.K Rq : Température en Kelvin 0 273 295 ∞ 22 ∞ K Kelvin, échelle absolue de température °C degrés Celsius -273 0 Activité – température de surface du Soleil IV – Interaction lumière-matière Intro : Photo de Solvay avec les noms et les prix Nobel 1) Effet photoélectrique Expérience en « live » : une baguette en verre est frottée avec une peau de chat pour charger positivement la baguette. On l'approche du plateau de l'électroscope sans qu'elle ne le touche (l'électroscope se charge par influence). On pose le doigt sur le plateau pour le mettre à la terre. On retire le doigt puis on éloigne la baguette du plateau : L'électroscope est alors chargé négativement. Les photons de la lampe UV vont pouvoir extraire les électrons de la plaque de zinc à condition de retirer la vitre en verre (qui absorbe les photons dans les UV). Un corps métallique est soumis à un rayonnement lumineux (UV). Sous l’effet de ce rayonnement, des électrons sont émis par ce métal. Si le métal est relié à un électroscope, nous pouvons remarquer qu’une partie des charges négatives c'est-à-dire des électrons a disparu. On montre que : L’énergie E des électrons extraits du métal dépend de la fréquence ν de la lumière d’éclairage mais pas de son intensité. L’intensité n’influence que sur la quantité d’électrons éjectés. La lumière doit être reçue à une fréquence ν donnée par le type de métal pour donner naissance à l’effet photoélectrique. 2) Spectres d’émission et d’absorption d’une substance Expérience : montrer spectre d’émission du Na avec la fibre optique et celui d’absorption avec tout le gros montage. Si pas possible, utiliser l’animation spectre abs et em L’émission et l’absorption de la lumière par les substances ne se produit pas de façon continue mais par portions finies ou par quantas. 3) Synthèse Pour la matière : - Un atome ne peut exister que dans des états bien définis, chaque état étant caractérisé par un niveau d’énergie E. L’énergie d’un atome est quantifiée. Pour la lumière : - Une radiation lumineuse transporte un quantum d’énergie : ∆𝐸 = ℎ𝜈 avec ℎ = 6,63.10−34 𝐽. 𝑠 constante de Planck ∆𝐸 en Joules : J 𝜈 en Hertz : Hz - Un rayonnement monochromatique peut être assimilé à une particule appelée photon. 𝑐 𝑐 Rq : 𝜈 = 𝜆 donc ∆𝐸 = ℎ 𝜆 = ℎ𝜈 avec 𝑐 = 3,00. 108 𝑚. 𝑠 −1 vitesse de la lumière Application : L’énergie nécessaire pour extraire un électron de la plaque de zinc est ∆𝐸 = 3,30 𝑒𝑉. Quelle sont la fréquence et la longueur d’onde du rayonnement correspondant ? ∆𝐸 = 3,30 𝑒𝑉 = 3,30.1,6.10−19 𝐽 = 5,28.10−19 𝐽 𝜈= ∆𝐸 ℎ 5,28.10−19 = 6,63.10−34 = 7,96.1014 𝐻𝑧 C’est la fréquence de seuil pour laquelle l’effet photoélectrique peut avoir lieu. 𝜆= 𝑐 𝜈 = 3.108 7,96.1014 = 3,77.10−7 𝑚 = 377𝑛𝑚 (domaine des UV). Longueur d’onde de seuil. V – Diagrammes de niveau d’énergie 1) Cas de l’émission de lumière E Esup . e– Photon émis Un atome excité retourne spontanément à un niveau d’énergie plus faible en émettant un photon d’énergie : ∆𝐸 = 𝐸𝑠𝑢𝑝 − 𝐸𝑖𝑛𝑓 = ℎ𝜈 Expérience : montrer un spectre d’émission de raies colorées Einf 2) Cas de l’absorption de lumière E Esup Photon Einf absorbé DI – Feu d’artifice Activité – Spectre solaire . e– Un atome peut absorber un photon d’énergie : ∆𝐸 = 𝐸𝑠𝑢𝑝 − 𝐸𝑖𝑛𝑓 = ℎ𝜈 pour passer à un niveau d’énergie supérieur. Expérience : montrer un spectre d’absorption de raies noires
