MAISON POUR LA SCIENCE EN MIDI-PYRENEES

La perception des couleurs : regards croisés physique, chimie et biologie Stéphane Blat Jean Paul Castro Renaud Mathevet Pierre Sutra Jean-Michel Hupé 15 et 16 juin 2015

Couleurs : regards de la physique Renaud Mathevet Maître de conférences Université Paul Sabatier

La couleur Phénomène complexe: Physiques Physiologiques Psychiques … Physicien  aspects physiques

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

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

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

Vitesse de la lumière 1676 Ole Christensen Rømer 1644-1710 James Bradley 1693-1762 1725 g Draconis

Interférences (1802) ibleu < irouge a ltyp.=0.65 mm Thomas Young 1773-1829 ibleu < irouge Laser a ltyp.=0.65 mm

Diffraction (1815-1818) Augustin Fresnel 1788-1827 S P M Denis Poisson 1781-1840 François Arago 1786–1853 point de Poisson 1818 Laser écran circulaire

Electromagnétisme (1865) onde électromagnétique transverse James Clerck Maxwell 1865-1873 "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" Phil. Trans. R. Soc. Lond. 155, 459–512 (1865) onde électromagnétique transverse

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

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

Spectre de raies (1885) spectromètre USB lampe H2O RH=10.97 µm-1 Johann Balmer 1825-1898 l (nm) RH=10.97 µm-1

quantification des échanges d’énergie Corps noir (1900) M (l;T ) (W.m-2.m-1) l (nm) Max Planck 1858-1947 quantification des échanges d’énergie

Effet Photoélectrique Ee- lumière e- seuil 1887 e- e- métal Heinrich Hertz 1857-1894 n Albert Einstein 1879-1955 E = hn W 1905 métal e- Ee- = hn-W nseuil=W/h Photon

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)

Modèle de Bohr (1913) quantification du moment cinétique L=|rmv|=n  Niels Bohr 1885-1962 r m v quantification du moment cinétique L=|rmv|=n 

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 …

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Emission - absorption E E

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)

semi-conducteurs BPW34 - +

colorants I(z) I(z+dz) dz I0 z dI =- s n dz I dI =- s n dz I  I(L)= I0 e-snL loi de Beer-Lambert A(l)=-loge I(L)/I0 = s(l)nL absorbance en chimie: A(l)=-log10 I(L)/I0 = e(l)LC  concentrations e(l): absorptivité molaire en L·mol−1·cm−1

Synthèse soustractive B+V R+V -B B+R -V

… fin de la première partie La couleur … … fin de la première partie

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

Lampe H2O : raies supplémentaires candidat: oxygène O I: oxygène atomique neutre 616nm ? 777nm 845nm

Diffraction - Interférences lumière blanche Thomas Young 1801 Laser q≈l/a a bleu rouge Laser qv< qR a É z Laser d i=lD/d D ltyp.=0.65 mm

Vitesse de la lumière 1676 Ole Christensen Rømer 1644-1710 1849 Hippolyte Fizeau 1819-1896 James Bradley 1693-1762 1725 g Draconis

Résonance atomique hn12=E2-E1 interférence interférence destructive constructive