Sources de lumière colorée - leprof

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Chap. 5 Sources de lumière colorée
I- Sources de lumière
1- Exemples
Lorsque le spectre de la lumière émise par une source ne présente qu'une seule raie, cette source est dite
monochromatique. Elle est caractérisée par une seule fréquence. Dans tous les autres cas, la source est dite
polychromatique. a) Source lumineuse naturelle : le Soleil
Le soleil comme toutes les étoiles émet de la lumière, d’origine thermique dont la couleur dépends de la
température. b) Sources lumineuses artificielles
Les lampes à incandescence sont constituées d'une ampoule renfermant un filament de tungstène. Les lampes à
vapeur renferment un gaz qui, excité par une décharge électrique, émet de la lumière. Cette lumière est par
exemple jaune pour une lampe à vapeur de sodium.
Un laser hélium-néon contient de l'hélium et du néon sous forme gazeuse. La lumière émise ne présente qu'une
seule raie à la longueur d'onde dans le vide de 633 nm : c'est une source monochromatique (doc.13.a).
Les tubes fluorescents renferment un gaz qui est excité par une décharge électrique et émet de la lumière, en
particulier dans l'ultraviolet. Un matériau fluorescent sur le verre du tube absorbe le rayonnement ultraviolet et
réémet de la lumière. La dernière génération des lampes fluocompactes reprend ce principe sous forme
d'ampoules.
Les diodes électroluminescentes (DEL) produisent de la lumière lorsqu'elles sont parcourues par un courant .
Les plus récentes émettent de la lumière blanche. Leur faible consommation d'énergie et leur température
réduite garantissent une très longue durée de vie.
2- Les ondes électromagnétiques
Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes
composantes en terme de fréquence, d'énergie des photons ou encore de longueur d'onde associée, les trois
grandeurs ν (fréquence), E (énergie) et λ (longueur d'onde) étant liées deux à deux par la constante de Planck h
et la vitesse de la lumière c , selon les formules : E = h× et c = λ× soit E =
c.h

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Pour les ondes radio et la lumière, on utilise habituellement la longueur d'onde. À partir des rayons X, les
longueurs d'ondes sont rarement utilisées : comme on a affaire à des particules très énergétiques, l'énergie
correspondant au photon X ou γ détecté est plus utile. Cette énergie est exprimée en électronvolt (eV), soit
l'énergie d'1 électron accéléré par un potentiel de 1 volt.
II- Couleur des corps chauffés
1- Incandescence
Tout corps porté à haute température émet de la lumière, ils sont incandescents et on obtient un rayonnement
lumineux d’origine thermique
2- Loi de Wien
Elle permet d’évaluer la température de surface d’un corps chaud à partir de la longueur d’onde correspondant à
un maximum d’intensité lumineuse
 (°C) =
273
10.89,2
max
6
avec max en nm
en USI T(K) =
max
3
10.898,2
max en m provient de loi de Planck max =
kT.9651,4 c.h
k cste de Boltzman, c vitesse de la lumière et h cste de Planck
III- Interaction lumière-matière
1- Le photon
Depuis les travaux d'Albert EINSTEIN publiés en 1905, on considère que la lumière est constituée de
corpuscules, les photons. On parle de modèle corpusculaire.
L'énergie de la lumière est transportée par des photons.
Pour une radiation de longueur d'onde (m) dans le vide et de fréquence  (Hz), chaque photon transporte un
quantum d'énergie : E = h .  = h .
c
.
Cette énergie s'exprime en joule (J); h est la constante de Planck : h = 6,63.10-34 J. s; c est la vitesse de la
lumière dans le vide : c = 3,00.108 m.s-1.
Les valeurs des énergies des atomes exprimées en joule (J) étant extrêmement faibles, on utilisera souvent
comme unité d'énergie l'électron-volt (eV) : 1 eV = 1,60.10-19 J.
2- Quantification de l’énergie des atomes
Comme l'a postulé Niels BOHR en 1913, l'énergie d'un atome ne peut prendre
que certaines valeurs.
Un atome ne peut exister que dans des états bien définis, chaque état étant
caractérisé par un niveau d'énergie. L'énergie d'un atome est quantifiée.
ci contre le diagramme d’énergie de l’atome d’hydrogène
L'état de plus basse énergie correspond à l'état fondamental : c'est l'état stable de
l'atome. Les autres états, d'énergie supérieure, sont qualifiés d'états excités. II en
existe une infinité. Dans l'état d'énergie nulle, l'atome est ionisé.

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3- Émission et absorption de lumière
a) Emission d’énergie
Un atome excité (par décharge électrique, chauffage, absorption de lumière, etc.)
retourne spontanément à son état fondamental ou à un état excité d'énergie plus
faible en émettant un photon qui emporte l'énergie cédée par l'atome.
Pour l’atome d’hydrogène, chaque raie du spectre visible correspond à une transition au cours de laquelle
l'énergie de l'atome diminue de |E| = |Ep -Em| . L'atome émet alors un photon de même énergie. Cela se traduit
par l'émission d'une radiation de longueur d'onde dans le vide . telle que :
 = h .
E
c
.
Par exemple, au cours de la transition du niveau 4 au niveau 1, l'énergie de
l'atome de lithium diminue de 1 '64 — (61 1 . Cela correspond à une raie
d'émission de couleur rouge et de longueur d'onde dans le vide  = 612 nm.
b) Absorption de lumière
Un atome dans un état d'énergie Einf peut absorber un photon d'énergie E s'il
possède un niveau d'énergie supérieure Esup, tel que E = Esup – Einf). Dans le spectre
d'absorption de cet atome, on pourra observer une raie sombre de longueur d'onde :
IV- Spectre solaire
1- Température de surface
Le spectre de la lumière solaire, d'origine thermique, est continu. Le maximum
d'émission a lieu à une longueur d'onde dans le vide de 500 nm dans le bleu
vert, qui est reliée par la loi de Wien à la température (5 800 K environ) de la
surface du Soleil, la photosphère.
2- Composition chimique de l'atmosphère solaire
L'étude approfondie du spectre solaire révèle une multitude de raies noires d'un spectre d'absorption,
superposées au spectre continu. Les raies noires correspondent aux radiations absorbées par les entités
chimiques présentes dans l'atmosphère du Soleil.
Les entités chimiques (atomes ou molécules) présentes dans l'atmosphère du Soleil (la chromosphère) absorbent
sélectivement certaines radiations émises par la photosphère. L'analyse des raies d'absorption au sommet de
l'atmosphère solaire permet d'identifier et de dénombrer les atomes et ions présents dans la chromosphère.
Avant d'arriver au niveau du sol, le rayonnement solaire est partiellement absorbé par les molécules présentes
dans l'atmosphère terrestre.