Sources de lumière colorée Thème 1 : Observer Chapitre 5 (physique) Sources de lumière colorée

A quoi notre œil est-il sensible ?

I- Types de sources de lumière I-1) Spectre visible Une onde électromagnétique peut être caractérisée par sa longueur d’onde dans le vide λ. Rayonnement visible : λ entre environ 400 nm et 800 nm λ < 400 nm  domaine des UV λ > 800 nm  domaine des Infrarouges Coller le papier distribué

Quelles sources de lumières colorées connaissez-vous ?

Qu’est-ce qui différencie ces sources de lumière ?

I- Types de sources de lumière I-1) Spectre visible Une onde électromagnétique peut être caractérisée par sa longueur d’onde dans le vide λ. Rayonnement visible : λ entre environ 400 nm et 800 nm λ < 400 nm  domaine des UV λ > 800 nm  domaine des Infrarouges Coller le papier distribué I-2) Profil spectral Une source de lumière est caractérisée par son spectre d’émission ou profil spectral (Courbe représentant la puissance lumineuse émise en fonction de λ).

Source : http://www. educonline. net/spip/spip. php Source : http://www.educonline.net/spip/spip.php?article268 - Consulté le 11/11/2013

II – Source de lumière à incandescence (« corps chauffé ») I-2) Profil spectral Une source de lumière est caractérisée par son spectre d’émission ou profil spectral (Courbe représentant la puissance lumineuse émise en fonction de λ). Ce spectre d’émission peut être un spectre de raies. Exemple : Lampe à vapeur de sodium (éclairage urbain) Lampe fluocompacte Laser S’il y a une seule raie (ex : laser), la lumière émise est monochromatique. Si le spectre a plusieurs raies ou si le spectre est continu la lumière émise est polychromatique. II – Source de lumière à incandescence (« corps chauffé »)

Fer rouge Fer chauffé à blanc Source : http://www.cultellidicaccia.com/le_damas.htm consulté le 17/11/2013

Image prise par le téléscope spatial Hubble Qu’est ce qui différencie ces étoiles ? Leur spectre d’émission sera différent ; leur profil spectral sera différent Source : http://www.nasa.gov/images/content/685067main_potw1236a.jpg Consulté le 17/11/2013

Profils spectraux d’étoiles à des T différentes T = 7700 K T = 2500 K

II – Source de lumière à incandescence (« corps chauffé ») Tout corps à une température T émet des rayonnements électromagnétiques. Description de ce rayonnement ? Modèle du CORPS NOIR Matière

II – Source de lumière à incandescence (« corps chauffé ») Tout corps à une température T émet des rayonnements électromagnétiques. Description de ce rayonnement ? Modèle du CORPS NOIR Parce qu’il absorbe tout le rayonnement Matière Rayonnement électromagnétique

II – Source de lumière à incandescence (« corps chauffé ») Tout corps à une température T émet des rayonnements électromagnétiques. Description de ce rayonnement ? Modèle du CORPS NOIR Parce qu’il absorbe tout le rayonnement Le corps noir est en équilibre radiatif En permanence, la matière absorbe le rayonnement qui l’atteint et émet des radiations électromagnétiques Matière Rayonnement électromagnétique

II – Source de lumière à incandescence (« corps chauffé ») Tout corps à une température T émet des rayonnements électromagnétiques. Description de ce rayonnement ? Modèle du CORPS NOIR Parce qu’il absorbe tout le rayonnement Matière Rayonnement électromagnétique Corps noir : objet théorique Bonne approximation d’un corps noir : four de potier

Industriel anglais, spécialisé dans la céramique et inventeur du pyromètre optique : appareil permettant de déterminer la température d’un four à partir des caractéristiques de son rayonnement

II – Source de lumière à incandescence (« corps chauffé ») Tout corps à une température T émet des rayonnements électromagnétiques. Description de ce rayonnement ? Modèle du CORPS NOIR Parce qu’il absorbe tout le rayonnement Matière Rayonnement électromagnétique Corps noir : objet théorique Bonne approximation d’un corps noir : Une étoile

II – Source de lumière à incandescence (« corps chauffé ») Tout corps à une température T émet des rayonnements électromagnétiques. Pour décrire ce rayonnement, on utilise le modèle du corps noir. D’après ce modèle, si T est la température du corps (en K), et λmax la longueur d’onde pour laquelle l’intensité du rayonnement émis est maximal (en m) T × λmax = 2,898.10-3 m.K Loi du déplacement de Wien T(K) = Le profil spectral d’une source à incandescence est continu : (coller le papier distribué)

D’après ce modèle, si T est la température du corps (en K), et λmax la longueur d’onde pour laquelle l’intensité du rayonnement émis est maximal (en m) T × λmax = 2,898.10-3 m.K Loi du déplacement de Wien T(K) = Le profil spectral d’une source à incandescence est continu : (coller le papier distribué)

Max Planck Albert Einstein

III – Sources de lumière à spectre de raies III-1) Fréquence d’une onde monochromatique On note souvent ν (« nu ») la fréquence d’une onde électromagnétique. c : vitesse de la lumière ; dans le vide c = 3,00. 108 m/s λ : longueur d’onde dans le vide en m ν : fréquence en Hz (ou s-1) III-2) Modèle corpusculaire de la lumière Les échanges entre lumière et matière ne peuvent être décrits qu’avec un modèle corpusculaire. Suivant ce modèle, une onde électromagnétique monochromatique de fréquence ν peut aussi être vue comme un ensemble de corpuscules , les photons.

III-2) Modèle corpusculaire de la lumière Les échanges entre lumière et matière ne peuvent être décrits qu’avec un modèle corpusculaire. Suivant ce modèle, une onde électromagnétique monochromatique de fréquence ν peut aussi être vue comme un ensemble de corpuscules, les photons. Chaque photon est un « paquet d’énergie ». L’énergie E d’un photon est telle que E : en joule (J), h : constante de Planck (h = 6,63.10-34 J.s), ν : fréquence en Hz (ou s-1) Comme ces énergies sont faibles, on les convertit souvent en électron-Volt (eV) : 1,00 eV = 1,60 × 10-19 J Suivant les expériences, la lumière présente tantôt un caractère ondulatoire, tantôt un comportement corpusculaire : c’est la dualité onde/corpuscule.

Comme ces énergies sont faibles, on les convertit souvent en électron-Volt (eV) : 1,00 eV = 1,60 × 10-19 J Suivant les expériences, la lumière présente tantôt un caractère ondulatoire, tantôt un comportement corpusculaire : c’est la dualité onde/corpuscule. III-3) Quantification de l’énergie d’un atome Niels Bohr Bohr et modèle atomique planétaire

Comme ces énergies sont faibles, on les convertit souvent en électron-Volt (eV) : 1,00 eV = 1,60 × 10-19 J Suivant les expériences, la lumière présente tantôt un caractère ondulatoire, tantôt un comportement corpusculaire : c’est la dualité onde/corpuscule. III-3) Quantification de l’énergie d’un atome L’énergie d’un atome ou d’une molécule ne peut prendre que des niveaux bien définis : elle est quantifiée. Les niveaux d’énergie d’un atome sont caractéristiques d’un type d’atome. On les représente dans un diagramme des niveaux d’énergie. Énergie E0 E1 E2 E3 E4 Niveaux excités (ou états excités) Niveau fondamental (ou état fondamental)

On les représente dans un diagramme des niveaux d’énergie. Niveaux excités (ou états excités) Niveau fondamental (ou état fondamental) Coller le premier diagramme d’énergie en indiquant l’état fondamental et les états excités

On les représente dans un diagramme des niveaux d’énergie. Niveaux excités (ou états excités) Niveau fondamental (ou état fondamental) III-4) Émission de lumière par un atome

On les représente dans un diagramme de niveaux d’énergie. Niveaux excités (ou états excités) + Émission d’un photon d’énergie E = E2 – E0 Niveau fondamental (ou état fondamental) III-4) Émission de lumière par un atome

On les représente dans un diagramme de niveaux d’énergie. Niveaux excités (ou états excités) + Émission d’un photon d’énergie E = E2 – E0 Niveau fondamental (ou état fondamental) III-4) Émission de lumière par un atome Si un atome est dans un état excité d’énergie Esup , il se désexcite (c’est à dire qu’il retombe dans un état d’énergie plus bas Einf) en émettant un photon d’énergie E = Esup - Einf Coller le deuxième diagramme d’énergie en indiquant d’une flèche l’émission d’un photon due à la désexcitation d’un atome de sodium du niveau E4 vers le niveau E2 + préciser l’énergie du photon émis

III-4) Émission de lumière par un atome Si un atome est dans un état excité d’énergie Esup, il se désexcite (c’est à dire qu’il retombe dans un état d’énergie plus bas Einf) en émettant un photon d’énergie E = Esup - Einf III-5) Allumage d’une lampe à décharge ou d’un tube fluo

Allumage d’un tube fluorescent Ballast Source de tension 1- On applique une tension. Pour que le courant circule il faut que le milieu soit conducteur. Tant que pas ionisé : tube néon ne conduit pas. 2 - Tension appliquée aux borne d’un condensateur : se charge. Echauffement du gaz du tube au niveau des électrodes. 3 - Tension devient suffisante pour que ionise le starter. Courant circule dans le starter. Un interrupteur se ferme pour T suffisante. Se ferme. Ionisation dans starter s’arrête mais le courant circule tant que le bilame est fermé 4 – T diminue. Ouverture du bilame. Brusque variation d’intensité 5 – Effet d’une variation d’intensité sur le ballast : grosse saute de tension. Surtension aux bornes du tube fluorescent qui peut être suffisante pour l’allumer. Tube fluorescent Starter

III-4) Émission de lumière par un atome Si un atome est dans un état excité d’énergie Esup, il se désexcite (c’est à dire qu’il retombe dans un état d’énergie plus bas Einf) en émettant un photon d’énergie E = Esup - Einf III-5) Allumage d’un tube fluorescent Coller le document distribué Dans un tube fluorescent, on fait passer les atomes d’un gaz dans un état excité en utilisant une décharge électrique. Ces atomes excités se désexcitent spontanément en émettant des photons d’énergies correspondant aux différences entre les niveaux d’énergie de l’atome. Ex : d’une lampe à vapeur de mercure On a donc un spectre de raies.

IV) Spectre solaire I-1) Analyse du spectre Ces atomes se désexcitent spontanément en émettant des photons d’énergies correspondant aux différences entre les niveaux d’énergie de l’atome. On a donc un spectre de raies. IV) Spectre solaire I-1) Analyse du spectre Spectre continu comme celui d’un corps chaud Présence de raies noires

Exemple du profil spectral du soleil Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Bilan_radiatif_de_la_Terre - Consulté le 17/11/2013

IV) Spectre solaire I-1) Analyse du spectre Spectre continu comme celui d’un corps chaud Présence de raies noires IV-2) Absorption de lumière par un atome ou une molécule Si un atome est dans un état d’énergie E1, il peut absorber un photon d’énergie E à la condition qu’il possède un niveau d’énergie Esup tel que E = Esup - Einf Énergie E1 Esup

IV) Spectre solaire I-1) Analyse du spectre Spectre continu comme celui d’un corps chaud Présence de raies noires IV-2) Absorption de lumière par un atome ou une molécule Si un atome est dans un état d’énergie E1, il peut absorber un photon d’énergie E à condition que l’atome possède un niveau d’énergie Esup tel que E = Esup - Einf Énergie E1 E2 Absorption d’un photon d’énergie E = E2 – E1

IV) Spectre solaire I-1) Analyse du spectre Spectre continu comme celui d’un corps chaud Présence de raies noires IV-2) Absorption de lumière par un atome ou une molécule Si un atome est dans un état d’énergie E1, il peut absorber un photon d’énergie E à condition que l’atome possède un niveau d’énergie E2 tel que E = E2 – E1 Énergie E1 E2 Absorption d’un photon d’énergie E = E2 – E1

IV-2) Absorption de lumière par un atome ou une molécule Si un atome est dans un état d’énergie E1, il peut absorber un photon d’énergie E à condition que l’atome possède un niveau d’énergie E2 tel que E = E2 – E1 Énergie E1 E2 Absorption d’un photon d’énergie E = E2 – E1 Les raies du spectre solaire sont des raies d’absorption : des photons sont absorbés par des gaz, se situant sur le trajet des rayons lumineux.