MAISON POUR LA SCIENCE EN MIDI-PYRENEES

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1 MAISON POUR LA SCIENCE EN MIDI-PYRENEES

2 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

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

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

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

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

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

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

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

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

11 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

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

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

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

15 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

16 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

17 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)

18 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 

19 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 …

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

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

22 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

23 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

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

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

26 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

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

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

29 Emission - absorption E E

30 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)

31 semi-conducteurs BPW34 - +

32 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

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

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

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

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

37 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

38 Vitesse de la lumière 1676 Ole Christensen Rømer 1644-1710 1849
Hippolyte Fizeau James Bradley 1725 g Draconis

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