La lumière n’éclaire pas tout !

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Toute matière peut absorber ou émettre un rayonnement électromagnétique. Alors que la matière condensée peut absorber ou émettre toutes les longueurs d’onde d’un rayonnement électromagnétique, la matière diffuse ne peut le faire que pour des longueurs bien précises. Mais pourquoi ?

Émission et absorption du rayonnement par la matière

Un rayonnement peut comporter toutes les longueurs d’ondes dans un intervalle donné. On dit alors qu’il présente un spectre continu (cas des corps noirs comme le soleil). Un spectre peut être également discontinu (cas de la lumière émise par un gaz chaud comme une lampe au sodium ou au mercure, par une étincelle ou un gaz arc électrique (Figure 13).

Figure 13. Spectre d’émission de la lumière blanche, spectre d’émission d’un gaz excités lumineux peu dense et spectre d’absorption d’un gaz excités lumineux dense

Figure 13. Spectre d’émission de la lumière blanche, spectre d’émission d’un gaz excités lumineux peu dense et spectre d’absorption d’un gaz excités lumineux dense

Un spectre d’émission continu est observé par diffraction de la lumière blanche.

Un spectre d’émission discontinu est produit par des gaz à faible pression dans lesquels les atomes ne subissent pas de nombreuses collisions (en raison de la faible densité de gaz). Les lignes d’émission correspondent à des photons d’énergie discrète, ou quantifiée, qui sont émis par le retour des atomes d’un état excités vers des couches énergétiques plus faibles.

Un spectre d’absorption discontinu est observé lorsqu’une lumière blanche passe à travers un gaz peu dense et froid. Les atomes qui constituent le gaz absorbent seulement des fréquences caractéristiques du gaz. Le spectre observé est celui de la lumière blanche. Les bandes noires présentes correspondent aux longueurs d’onde absorbées par le gaz.

Les échanges d’énergie entre la matière et le rayonnement peuvent se faire dans les deux sens :

  • émission : production d’énergie par la matière lorsqu’elle est soumise à des conditions particulières. ex. : des sources lumineuses (soleil, ampoules incandescentes, flammes…)
  • absorption : l’énergie d’un rayonnement peut-être absorbée par la matière. (ex. échauffement d’un objet, phénomène des couleurs)

L’expérience montre que les atomes n’émettent un rayonnement que si on les soumet à une excitation (ddp, flamme). Chaque élément donne un spectre de raie qui lui est propre (carte d’identité).

L’interprétation de ces résultats expérimentaux à permi de démontrer que l’énergie du rayonnement émis par la matière est quantifiée (Rayonnement du corps noir, Max Planck (1858-1947) :

\mathbf{ E = h\,\nu }

Et qu’une radiation électromagnétique est équivalente à un flux de particules appelés photons (Effet photoélectrique, Albert Einstein (1879-1955) :

\mathbf{E=\frac{h\,c}{\lambda}}

L’énergie ne peut pas être échangée de manière continue entre la matière et le rayonnement. Ces échanges (absorption-émission) ne peuvent avoir lieu que par multiples entiers d’une quantité minimale d’énergie, égale à un quantum.

Cela revient à dire que l’énergie, comme la matière, est discontinue. Un rayonnement peut être décrit soit comme une onde soit comme un flux de particules (photons).

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