MAISON POUR LA SCIENCE EN MIDI-PYRENEES

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1 MAISON POUR LA SCIENCE EN MIDI-PYRENEES

2 Propriétés physiques de la lumière
Renaud Mathevet 12 juin 2015

3 Propriétés physiques de la lumière
Renaud Mathevet Maître de conférences Université Paul Sabatier

4 Plan Les ondes La lumière
De la spectroscopie au modèle quantique de l’atome… … jusqu’à la LED bleue

5 Plan Les ondes La lumière
De la spectroscopie au modèle quantique de l’atome… … jusqu’à la LED bleue

6 Qu’est-ce qu’une onde? z n=40kHz cos(2pnt) cos(2pn(t-t0))

7 Retard de propagation t0/T = 2p z/l T t0=0 [T] l=0.85cm T t0=T/2 [T]

8 Double périodicité z l célérité relation de dispersion: T=25 ms
l=0.85cm

9 Diagramme (z,t) Y t Équation de d’Alembert

10 Deux types d’ondes k k v // k longitudinale v k transverse

11 Etats de polarisation (I)
direction de vibration direction de propagation v k plan de vibration direction de vibration k v base de polarisations rectilignes

12 Etats de polarisation (II)
= direction de propagation direction de propagation Cas particuliers: gauche droite base de polarisations circulaires

13 Plan Les ondes La lumière
De la spectroscopie au modèle quantique de l’atome… … jusqu’à la LED bleue

14 Les couleurs (1666) Isaac Newton 1642-1726 spectromètre USB source
fente lentille écran condenseur prisme à vision directe BPW34 - + spectromètre USB

15 Interférences (1802) ibleu < irouge a ltyp.=0.65 mm Thomas Young
ibleu < irouge Laser a ltyp.=0.65 mm

16 Polarisation (1809) E P onde transverse q Etienne Malus 1775-1812 x z
lumière naturelle polarisée onde transverse

17 Diffraction (1815-1818) Augustin Fresnel 1788-1827 S P M Denis Poisson
François Arago 1786–1853 point de Poisson 1818 Laser écran circulaire

18 Electromagnétisme (1865) onde électromagnétique transverse
James Clerck Maxwell "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" Phil. Trans. R. Soc. Lond. 155, 459–512 (1865) onde électromagnétique transverse

19 La lumière Onde électromagnétique transverse l (nm) n (THz) UV IR 400
800 750 375

20 Plan La lumière De la spectroscopie au modèle quantique de l’atome…
… jusqu’à la LED bleue

21 Spectre de raies (1885) spectromètre USB lampe H2O RH=10.97 µm-1
Johann Balmer l (nm) RH=10.97 µm-1

22 quantification des échanges d’énergie
Corps noir (1900) M (l;T ) (W.m-2.m-1) l (nm) Max Planck quantification des échanges d’énergie

23 Effet Photoélectrique
Ee- lumière e- seuil 1887 e- e- métal Heinrich Hertz n Albert Einstein E = hn W 1905 métal e- Ee- = hn-W nseuil=W/h Photon

24 Quantification de l’énergie
E(eV) -13.6 -3.39 -1.51 -0.89 -0.54 n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 l (nm)

25 Modèle de Bohr (1913) quantification du moment cinétique L=|rmv|=n 
Niels Bohr r m v quantification du moment cinétique L=|rmv|=n 

26 Modèle de Bohr (II) En=E1 /n2 E1 =- me4/22 rn=n2aB aB=2 / me2=53pm
v3 En=E1 /n2 E1 =- me4/22 rn=n2aB aB=2 / me2=53pm vn=nv1 v1=e2/ =2200km.s-1=c/137 …

27 Résonance (I) L nn n (ln/2)=L nn=n (c/2L) =nn1 ln=c/nn n nn (Hz) n
spectre discret

28 Résonance (II) n (ln/2)=L 2L=n ln L interférence constructive

29 Dualité onde-corpuscule
E=hn E/c p particule: énergie-impulsion p=mv n/c 1/l onde: fréquence-longueur d’onde Louis de Broglie (1924) = h lDB=h/p

30 Atome quantique Ln=n=rnmvn rn=n2aB 2p rn=n ln lDB=h/mv L=n ln
l (nm) 2p rn=n ln L=n ln

31 Emission - absorption E E

32 Résonance atomique hn12=E2-E1 interférence interférence destructive
constructive

33 découverte de l’Hélium
Un formidable outil… Joseph von Fraunhofer (1814) 587,5nm ? 589,0 et 589,6nm Jules Janssen Norman Lockyer Na He 587,5nm découverte de l’Hélium (1848)

34 Plan Les ondes La lumière est une onde électromagnétique transverse
De la spectroscopie au modèle quantique de l’atome… … jusqu’à la LED bleue

35 De l’atome à la molécule …
w0 E w0 E ws wa w0 z w0 z ws z wa z

36 … de la molécule au cristal
bande de conduction valence E Egap

37 Spectre de bandes E E gap moyen vert E grand gap bleu faible gap rouge
AlGaAs GaN, GaP InGaN faible gap rouge

38 + Zn (dopage type p) + irradiation e- + …
LED bleue Isamu Akasaki Hiroshi Amano Shuji Nakamura wafer de GaN (1993) + Zn (dopage type p) + irradiation e- + …

39 LED Blanche E synthèse additive LED RGB Y3Al5O12: Ce LED bleue
AlInGaP InGaN synthèse additive fluorescence phosphorescence LED bleue

40 Plan Les ondes La lumière est une onde électromagnétique transverse
Et au delà De la spectroscopie au modèle quantique de l’atome… … jusqu’à la LED bleue

41 Théorie quantique du rayonnement
Albert Einstein (1917) formule du corps noir M (l;T ) (W.m-2.m-1) l (nm) E absorption E E émission spontanée émission stimulée

42 Laser Cohérence: monochromaticité directivité Theodore Maiman (1960)
énergie (pompage) émission spontanée milieu actif Theodore Maiman (1960) cavité Cohérence: monochromaticité directivité émission stimulée 632.8nm

43 Laser à diode émission stimulée E milieu actif semi-conducteur I e-