CHAPITRE I

CHAPITRE I
LA LUMIERE
INTRODUCTION
• La lumière est l’ensemble des radiations
émises par:
1- Les corps portés à haute température
(incandescence: Etat d’un corps qu’une
température élevée rend lumineux ):
a- Les lampes à incandescence ( à filament).
b- Les étoiles( notre soleil ).
c- Les bougies…
2- Les corps excités par diverses formes
d’énergies ( luminescence:Propriété d’un
matériau pouvant émettre de la lumière à
basse énergie par excitation ):
a- Tube à néon ( Tube à fluorescence).
b- La lune.
EXPLICATION DU PHENOMENE DE LA LUMIERE
• La lumière a été expliquée par diverses
théories. Les principales sont:
A- La théorie ondulatoire.
B- La théorie de l’émission.
C- La théorie des ondes électromagnétiques (
O.E.M ) par James Clerk MAXWELL
(Edimbourg : 1831-1879 ), ondes
Hertziennes et Lumineuses sont de même
nature.
A- THEORIE ONDULATOIRE
• Elle considère le phénomène de la lumière
comme un moyen de transport d’énergie
d’un point d’émission vers un récepteur en
général l’œil.
• Autrement dit, elle suppose que la lumière
est un phénomène vibratoire qui se propage
dans le milieu matériel considéré.
• La théorie ondulatoire explique les
phénomènes d’interférence et de diffraction
de la lumière.
• Cette théorie; associe à tout point éclairé par
une lumière monochromatique une vibration
lumineuse sinusoïdale S(t) telle que:
S(t)= a.sin(ω.t + Φ0)
A: amplitude ( en mètre).
ω: pulsation( rd/ s ).
Φ0: phase à t=0s ( en rd ).
•{ mono: un, Chroma: couleur ) <==> une lumière provenant d’une
source considérée comme formée d’une seule couleur}.
Schéma n0:1
• Le temps ( T ) au bout du quel le phénomène
se répète est appelé PERIODE TEMPORELLE
(en seconde ).
• Son inverse ν = 1 /T (nu), est appelée
fréquence ( f ) de la vibration lumineuse:
•
f=ν=1/T
(en Hz).
• La fréquence caractérise la couleur de la
radiation monochromatique considérée:
• Chaque couleur monochromatique <═>
une seule couleur <═> une fréquence unique.
A l’aide d’instruments astronomiques spéciaux
on fait des observations, on obtient un spectre
de raies d’émission et à chaque raie ( couleur )
on fait correspondre une seule fréquence et un
élément chimique unique.
•QUESTION: COMMENT ON DETERMINE LES
ELEMENTS CHIMIQUES QUI COMPOSENT LES
PLANETES.
•
T = 2.π /ω = 1/ν = 1/ f
(en s)
–Schéma n°2
λ: La Longeur d’onde ( lambda ) en mètre ( m ).
Φ° = 2.π.d /λ en radian ( rd )
d : la distance parcourue par la lumière jusqu’au
point ( M ).
Si l’on trace la courbe de propagation suivant
l’axe des (X ), on trouve le même mouvement
sinusoïdal. Et ( λ ) est la distance au bout de
laquelle le phénomène se répète. Elle est dite:
PERIODE SPACIALE (
) ou longueur
d’onde de la vibration lumineuse (en mètre ).
B- THEORIE DE L’EMISSION
• La théorie de l’émission part de l’idée que
tous les corps chauds émettent dans toutes
les directions des corpuscules ayant une
grande vitesse donc de forte énergie.
• En 1887, HERTZ découvre l’effet
PHOTOELECTRIQUE : Si l’on envoie sur un
matériau métallique de la lumière, on
constate le passage d’un courant électrique
dans un GALVANOMETRE ( G )-> c’est un
ampermètre qui mesure de faibles courants.
EXPERIENCE DE L’EFFET PHOTOELECTRIQUE:
Schéma n°3
EXPLICATION:
Quand on éclaire la plaque métallique ( LA
CATHODE ) par une radiation lumineuse de
fréquence (ν ) donc monochromatique et
d’énergie ( E ), on constate qu’il y a passage
d’un courant d’intensité ( I ).
h: constante de PLANK
Pour Albert EINSTEIN, la lumière est formée de
particules (corpuscules ) appelées PHOTONS.
On dit que la lumière a une nature corpusculaire.
Chaque photon transporte une énergie:
( E= h.v).
h = 6.6 10-34 J.S est appelée:
constante de PLANCK
Et une impulsion P= m.C,
C=3 10-8 m/s vitesse de la lumière dans le vide
appelée: célérité.
Les photons venant de le source lumineuse
entrent en collision avec les électrons du métal
de la cathode.
- Si leur énergie ( E= h.v ) est supérieur à l’énergie
de liaison ( ) W des électrons atomiques, alors,
les électrons sont arrachés avec ( en plus ) une
énergie cinétique Ec.
Puis, ils sont accélérés avec une différence de
potentiel (d.d.p) U existante entre les deux
électrodes. Les électrons entrent dans
le circuit électrique par l’intermédiaire de l’anode
( ) ce qui va nous donner un courant électrique
dans le Galvanomètre ( G ).
La conservation de l’énergie et la quantité de
mouvement donnent l’équation de l’effet
photoélectrique:
E = h.v = W + Ec = W +1/2. m.V2 = h.C / λ;
V: la vitesse de l’électron
La fréquence
v = C/ λ = 1 / T
 λ= C.T
et E (ev) =12400/λ( en Å )
L’Energie: en électron-volt.
- Si E = W, les electrons sont arrachés, restent à
la surface du metal et s’est
la ( d.d.p ) U qui va accélérer les “ é “,on a alors,
un courant dans ( G ).
-Si E < W : électrons non arrachés.IL n’y a aucun
courant dans (G).
C –THEORIE ELECTROMAGNETIQUE
DE J.C. MAXWELL
Dans la théorie des ondes
électromagnétiques, J.C. MAXWELL, remarqua
que les ondes électromagnétiques ( O.E.M )
étaient la résultante de la propagation d’un
champ électrique ( E ) et d’un champ magnétique
( B ) perpendiculaires entre eux.
Et de plus, les deux champs se propagent à la
même vitesse que la lumière C.
Schéma n°1 et 2
• D’où, l’hypothèse de J.C.MAXWELL que la
lumière résulte aussi, tout simplement, de la
propagation de champs électrique ( E ) et
magnétique ( B ).
• ORIGINE DE LA VIBRATION LUMINEUSE :
• Une onde ( E.M ) est engendrée par une
charge électrique ( q ) en mouvement.
Schéma n°3
• En effet, les électrons de la matèreportés à
haute température ( incandescence ) émettent
plusieurs ondes ( O.E.M ), de fréquences
élevées, se propageant à la vitesse de la
lumière ( C ) dans le vide.
• D’autre part, cette même matière émet des
radiations lumineuses visibles. En conclusion,
on peut dire que la lumière naturelle est
constituée d’ondes ( E.M ),de fréquences
différentes et élevées, émises par la matière.
• Une radiation monochromatique n’existe pas
réellement.
SPECTRE VISIBLE:
• L’intervalle des fréquences des ondes ( E.M)
s’étale de 1023 Hz à 103 Hz. L’œil humain n’est
sensible que dans la plage des fréquences
comprisent entre 3,7 1014Hz et 7,5 1014Hz.
• A ces deux fréquences limites correspondent
les longueurs d’ondes 0,8µm et 0,4µm.
• Donc, les ondes lumineuses n’occupent qu’une
petite partie de ce spectre.
• Cette partie est dite:
•
<< LE SPECTRE VISIBLE >>.
PHENOMENE DES COULEURS:
• Le phénomène des couleurs des corps
s’explique comme suit:
• Pour un corps qui apparaît de couleur, par
exemple VERTE : C’est que quand il est
éclairé par le soleil, il absorbe toutes les
radiations du spectre visible mais il réflichit
les radiations de la couleur VERTE qui
correspondent à:
•
0,48 µm < λ <0,5 µm
• Et c’est pour cela qu’il apparaît VERT.
- A chaque radiation il correspond une
couleur et la combinaison de plusieurs
radiation donne une couleur colorée.
-La lumière blanche est la combinaison
de toutes les couleurs du SPECTRE
VISIBLE.
- Le noir : est l’absence des couleurs
du SPECTRE VISIBLE.
TABLEAU DES COULEURS:
Les longueurs d’ondes des
radiations sont comprisent
entre :
La couleur de la
lumiére
engendrée:
0,48 µm et
0,50 µm
VERTE
0,50 µm et
0,52 µm
JAUNE
0,40µm
0,80 µm
BLANCHE
et
Absence de radiations du
SPECTRE VISIBLE
LE NOIR
INDICE DE REFRACTION ABSOLUE DE LA MATIERE
• Dans le vide la lumiére se déplace à la vitesse:
• C = 3 108 m/s. Quand la lumière traverse un milieu
matériel homogène et isotrope, elle le fait avec
une vitesse ( V < C ).
• C’est une caractéristique du milieu.
• On a décidé de caractériser le matériau
transparent par le nombre ( n ) appelé indice de
réfraction absolue du matériau, tel que:
•
n = C / V  par rapport au vide.
• n : est un nombre > 1.
INDICE DE REFRACTION RELATIF DE LA MATIERE:
nr  Indice de réfraction par rapport à un
matériau de référence.
nr = V ( matériau de référence )/ V
(matériau considéré)
Exemple:
nglace/ Benzene = VBenzene/ Vglace
TABLEAU DE VALEURS MOYENNES DE ( n ):
AIR
La
matiére
Valeur
de (n)
EAU Quartz VERRE
1,003 1, 33 1,45
Huile
Diamant
specia
le
Crown de: 1,9
1,5 à 1,54
Flint de:
1,57 à 1,66
2,42
REMARQUE:
• L’ étude expérimentale tres poussée a montrée
que l’indice de réfraction s’écrit:
• n = a + b/ λ2 + c/ λ4 + d/ λ6 +…….
• Où a,b,c,d,…. Sont des constantes à
déterminer pour chaque matériau.
• [ a -> constante ]; [b-> nm2]; [c-> nm4]; Etc…
λ
n verre Crown n verre Flint
ROUGE
1,512
1,618
JAUNE
1,517
1,627
EXERCICES SUR LA THEORIE DE LA LUMIERE:
1) Energie d’un Photon: E = h.‫ע‬
h = 6.6 1O-34 J.s et ‫ = ע‬C/ λ : fréquence en Hz.
La célérité: C = 299792458 m/s.
a)Longueur d’onde minimale: λmin
λ min = C/ ‫ע‬max = 299792458 / 7.5 1014
= 3.99 10-7 = 3990 Å
E max = h. ‫ע‬max = 6.6 10-34 x. 7.5 1014 = 49.5 10-20 J
b) Longueur d’onde maximale: λmax
λ max = C/ ‫ע‬min = 299792458 / 3.7. 1014
= 8.81 10-7 = 8810 Å
E min = h. ‫ע‬min = 6.6 10-34 x 3.7 1014 = 24.42 10-20 J
λ min=3990
λ max= 8810
λ(Å)
‫ (ע‬Hz )
‫ ע‬max = 7.5 1014
‫ע‬min = 3.7 1014
2) La fréquence radio ‫ ע‬est:
‫ = ע‬C / λ = 3 108 / 10 = 3 107 Hz
= 3.104x ( 103 Hz )= 3.104 KHz
= 30.(103 KHz ) = 30 MHz
3) La longueur d’onde λ est:
λ = C / ‫ = ע‬3.108 / 1050.103
= 285.71 m = 285.71 1010 Å
4) L’indice de réfraction ( absolu) est
défini par:
n=C/V
C: la célérité = vitesse de la lumière
dans le vide.
V: vitesse de la lumière dans le
matériau.
Et puisque C est la plus grande dans
l’univers donc,quel que soit V on a :
C > V <═> C/ V > V/ V
<═> C/ V > <═> n > 1
5) nBenzene = 1.5 Comme: n = C / V
Alors: VBenzene = C/ nBenzene
A.N:
VBenzene = 3.108 / 1.5 = 2.108 m/s
6) Vlumière dans la glace = 2.3 108 m/s
Comme: n = C / V donc:
nlumière dans la glace = C / Vlumière dans la glace
A.N: nlumière dans la glace = 3.108 / 2.3 108 = 1.30
7) Soit n( λ ) = a + b / λ2 + ….
a = 1.3 et b = 3025 nm2
Pour: λ rouge = 700 nm et λviolet = 400 nm on a:
nrouge = n (λ rouge ) = 1.3 + 3025/( 7002 ) = 1.306
nviolet = n (λ violet
) = 1.3 + 3025/( 4002 ) = 1.318
Remarque:
n[sans unité],donc a[sans unité]
et aussi (b /λ2 ) doit être[sans unité].
Ceci implique que b[ en nm2] puisque λ[en nm].
LEXIQUE
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CHAPITRE I: LA LUMIERE
INTRODUCTION:
Lumière
Radiations
Incandescence
filament
Luminescence
La théorie ondulatoire.
La théorie de l’émission.
La théorie des ondes électromagnétiques ( O.E.M )
Ondes Hertziennes
Ondes lumineuses
A- THEORIE ONDULATOIRE:
Point d’émission
Un récepteur
Phénomène vibratoire
Se propager
phénomènes d’interférence de la lumière
Phénomène de diffraction de la lumière.
Lumière monochromatique
une vibration lumineuse sinusoïdale
A: amplitude ( en mètre).
ω: pulsation( rd/ s ).
Φ0: phase à t=0s ( en rd ).
PERIODE TEMPORELLE
fréquence ( f ) de la vibration lumineuse
spectre de raies d’émission
λ: La Longeur d’onde
PERIODE SPACIALE
B- THEORIE DE L’EMISSION B- THEORIE DE L’EMISSION:
Corpuscules
PHOTOELECTRIQUE
La plaque métallique ( LA CATHODE)
Un courant d’intensité ( I ).
une nature corpusculaire
PHOTON
collision