CHAPITRE I LA LUMIERE

La lumière est l’ensemble des radiations émises par: 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:

A: amplitude ( en mètre). ω: pulsation( rd/ s ). 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)

λ: La Longeur d’onde ( lambda ) en mètre ( m ). 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).

Dans la théorie des ondes 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.

<< LE 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.

Les longueurs d’ondes des radiations sont comprisent entre : 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 et 0,80 µm BLANCHE 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.

nglace/ Benzene = VBenzene/ Vglace 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

Valeur de (n) TABLEAU DE VALEURS MOYENNES DE ( n ): La matiére AIR EAU Quartz VERRE Huile speciale Diamant Valeur de (n) 1,003 1, 33 1,45 Crown de: 1,5 à 1,54 Flint de: 1,57 à 1,66 1,9 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 BLEU 1,521 1,635

EXERCICES SUR LA THEORIE DE LA LUMIERE: 1) Energie d’un Photon: E = h.ע h = 6.6 1O-34 J.s et ע = C/ λ : fréquence en Hz. La célérité: C = 299792458 m/s. 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

2) La fréquence radio ע est: ע = C / λ = 3 108 / 10 = 3 107 Hz λ min=3990 λ max= 8810 λ ( Å ) ע( Hz ) ע max = 7.5 1014 עmin = 3.7 1014 2) La fréquence radio ע est: ע = C / 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 / ע = 3.108 / 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 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