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Nature de la lumière et énergie rayonnante

mercredi 9 avril 2014, par mathadonf

NATURE DE LA LUMIERE
ET
ÉNERGIE LUMINEUSE

I) Nature ondulatoire de la lumière

II) Aspect corpusculaire de la lumière

III) Photosynthèse et effet de serre

Évocation de quelques mots sur la lumière :

La lumière est un phénomène visible que l’oeil met en évidence

La lumière a un mouvement rectiligne dans un milieu homogène

Énergie lumineuse et chaleur

Spectre, onde

Source primaire et secondaire

I) Nature ondulatoire de la lumière :

1°) Notion d’onde progressive et stationnaire :

Le terme d’onde provient des phénomènes de l’eau : lorsque l’on lance une pierre dans l’eau, une onde se développe (d’où le terme de progressif) à sa surface sous la forme de crête concentriques. Une onde devient stationnaire lorsque le phénomène est entretenu.

Un autre exemple d’onde progressive et stationnaire : une corde tendue sur laquelle on tape régulièrement.

Chaque phénomène ondulatoire peut être représenté de deux manière différentes :

Soit en un point de l’espace on étudie le phénomène au cours du temps

Soit pour un instant t donné on étudie le phénomène dans l’espace
Tout phénomène ondulatoire présente donc un phénomène de double périodicité

Il faut retenir d’une onde qu’elle est caractérisée par sa période T ou sa fréquence (l’inverse de T) et par sa longueur d’onde \lambda. Ces deux grandeurs sont reliées par la relation ci-dessous où C est la vitesse de propagation du phénomène.

\lambda = C\times T = {{C}\over{\nu}}

\lambda en m

\C en m.s^{-1}

T en s

\nu en Hz

2°) Propagation de la lumière

Ce qu’il faut retenir :
- La propagation de la lumière se fait suivant une trajectoire rectiligne dans un milieu uniforme. (cas du mirage : la lumière du ciel bleu n’a plus une trajectoire rectiligne car au niveau du sol l’air, du fait de la chaleur a une densité qui varie. Le milieu n’est donc plus homogène).

- Le calcul de la vitesse de la lumière a été de tout temps un problème important que seule la théorie de la relativité d’Einstein a pour une part résolue. On admet donc que la vitesse de la lumière est une vitesse limite qu’aucun corps ne peut dépasser.

C = 3.10^{8} m.s^{-1}

- La vitesse de la lumière est constante dans un milieu homogène. On définit l’indice de réfraction n d’un milieu homogène par le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans le milieu considéré (n est donc toujours supérieur à 1).

n = C / v ou C est la vitesse dans le vide et v la vitesse dans le milieu

Exemples : n (air) = 1,002
n (eau) = 1,33
n (verre) = 1,5

- Plusieurs expériences permettent la mesure de la vitesse de la lumière. L’expérience décrite par le schéma ci-dessous en donne une :

Un laser émet une lumière en direction d’un miroir à 45° hémitransparent : dont réfélchissant une partie de la lumière à 45° vers une photopile A et transmettant la lumière directement vers une photopile B

Le chemin que met la lumière pour atteindre la photopile B est plus long (que celui pour atteindre A). L’intervalle de temps entre le moment où la photopile A délivre un courant et le moment où la photopile B en délivre un aussi est lié à la vitesse de la lumière et à da - db (d : distance parcourue par la lumière).

3°) Nature ondulatoire de la lumière :

a) Phénomène de diffraction et d’interférence :

Ce phénomène est caractéristique de toute onde (qu’elle soit sonore, hydrique etc....). Dans le cadre de la lumière on peut l’observer lorsque une onde lumineuse issue d’une source ponctuelle (par exemple : un LASER) dont la trajectoire ,un rayon rectiligne, devient après passage dans un “ petit trou ” un faisceau conique.

Si l’on place un écran après deux fentes créant deux cônes lumineux on peut aussi observer le phénomène d’interférence. Ce dernier se manifeste sur l’écran par des bandes alternativement lumineuse et noire (absence de lumière)

b) Expériences d’interférences avec la lumière blanche (dite naturelle) :

La lumière blanche peut être décomposée grâce à un prisme et donner l’ensemble des couleurs de l’arc-en-ciel. On observe ainsi le spectre de la lumière et surtout le fait que la lumière est une onde complexe ou polychromatique : en effet c’est une onde composée de différentes ondes dont, dans le domaine du visible, chaque couleur représente une onde monochromatique précise caractérisé par sa fréquence.

Remarques :

Chaque type de lumière possède sa propre composition spectrale. La lumière blanche possède un spectre continu. C’est le cas du soleil et des étoiles qui sont appelés corps denses ou corps noir.

Nous avons vu que la vitesse de la lumière varie selon le milieu, seule la période T ou la fréquence n (l’inverse de la période, la période T est en seconde et la fréquence en Herz, Hz) ne varie pas. En exercice nous verrons que la lumière rouge a donc une longueur d’onde légèrement plus faible dans l’eau que dans l’air (assimilé au vide) alors que la fréquence de cette onde monochromatique n’a pas variée.

Tout lumière monochromatique, c’est à dire d’une seule couleur, n’est pas décomposable dans un prisme ou dans un réseau car elle n’est constitué que d’une onde.

4°) Spectres d’émission et d’absorption. Notion d’énergie rayonnante :

Nous venons de voir la notion de spectre continu. Le soleil émet de la lumière dont le spectre est quasiment continu. Ce spectre est donc appelé spectre d’émission (car émis, produit par le soleil).

Chaque atome lorsqu’il est excité (c’est-à-dire lorsqu’il reçoit de l’énergie qu’elle soit lumineuse, thermique ou électrique) émet un spectre dicontinue : ce spectre est donc constitué de quelques fréquences (ou longueurs d’onde) bien définies (deux à six en général). Chaque atome peut être caractérisé par son spectre discontinu d’émission (rappel : il est aussi caractérisé par un numéro atomique, une masse atomique et une masse molaire bien définis). l’atome de sodium a ainsi deux longueurs d’onde caractéristique très proche l’une de l’autre : autour de 550 nm. C’est pouquoi lorsque l’on met une pincée de sel (NaCl) dans le feu d’une cuisinière à gaz la flamme bleue devient jaune orangée.

Si l’on mesure l’intensité du rayonnement (lumineux) émis par une source (primaire ou secondaire) c’est-à-dire si l’on mesure pour chaque longueur d’onde du spectre d’émission son intesité (soit son nombre de photons émis par seconde pour la longueur d’onde considérée) on peut alors représenté un spectre d’émission sous la forme d’un graphique.

Pour toute lumière, on peut représenter son spectre par un graphique. Il faut donc imaginer que tout lumière est un ensemble de photons (nous verrons ceci dans l’aspect corpusculaire de la lumière II] ). Mais que tous ces photons ne vibrent pas tous de la même manière : certaines longueurs d’ondes sont plus représentées que d’autres.

De même que l’on a défini les spectres d’émission on peut définir les spectres d’absorption. Un spectre d’absorption correspond à l’ensembles des longueurs d’onde qu’absorbe un corps. On peut connaissant le spectre d’émission du soleil (mesuré sur terre) en déduire le spectre d’absorption de la chlorophylle. L’expérience peut être menée de la manière suivante : on extrait la chlorophylle en broyant des feuilles d’épinard (riches en chlorophylle) puis en la dissolvant dans l’alcool. On fait traverser une cuve remplie de cet exsudat par un rayon lumineux de lumière blanche. On mesure l’intensité pour chaque longueurs d’ondes après passage dans la cuve : on en déduit que les végétaux verts absorbe l’énergie lumineuse pour des longueurs d’ondes dans le rouge. Tous les végétaux n’ont pas les mêmes pigments, ainsi pas les mêmes spectres d’absorption.

Autre chose : Les atomes s’ils émettent des longueurs d’onde caractéristiques absorbent aussi l’énergie lumineuse suivant ces mêmes longueurs d’onde. Ainsi le spectre du soleil n’est pas en fait complètement continu. Si on l’étudie de plus près on peut observer des raies (longueurs d’ondes absentes) d’absorption : on peut ainsi déterminer la composition chimique du soleil et en général des étoiles, des comêtes et des atmosphères des planètes du système solaire.

Il vous faut retenir la notion de spectre et le graphique

Nous allons voir maintenant que toute source lumineuse est source d’énergie. Cette énergie véhiculée par l’onde complexe de la lumière est dispensée (ou rayonne) de façon isotrope (dans toute les direction) dans l’espace. C’est une énergie rayonnante.

II) Nature corpusculaire de la lumière :

1°) Notion d’énergie rayonnante :

Une formule, dîte loi de STEPHAN, donne la puissance rayonnée par un corps noir (ou corps dense : c’est à dire un corps qui n’absorbe aucune énergie, tels les étoiles par exemple) dans son environnement, par m2 de sa surface. La formule est la suivante :

P = \sigma \times T^{4}

P est la puissance rayonnée en W . m-2 le W = Watt = J. s-1 et 4,18 J = 1 cal

\sigma$ : constante de BOLTZMANN en W. m-2. K4

T : la température en K = degré KELVIN ; 1 K = 1°C +273,15

constante de BOLTZMANN : \sigma = 4,8\times10^{-8}

EXERCICE d’APPLICATION :

Le soleil est un corps dense à température de 6000 K.

C’est une sphère de rayon
Rs = 7\times10^{5} Km = 7\times10^{8} m

distante de la terre au soleil est de :
d = 150\times10^{6} Km =150\times10^{9} m

Calculer l’énergie arrivant sur terre en J.m-2.s-1 et en cal.cm-2.min-1.

Le soleil émet dans toutes les directions. on en déduit que l’énergie E (en W) qu’il émet par seconde dans l’univers se disperse uniformément sur la surface d’une sphère imaginaire ayant pour centre le soleil et dont la terre serait à la surface. L’énergie E divisée par la surface de cette sphère donne approximativement l’energie reçue par la terre et par seconde.