CHAPITRE 3 : Sources de lumières colorées

Objectifs :

- Distinguer une source polychromatique d’une source monochromatique caractérisée par une longueur d’onde dans le vide.

- Connaître les limites en longueur d’onde dans le vide du domaine visible et situer les rayonnements infrarouges et ultraviolets.

- Exploiter la loi du Wien, son expression étant donnée.

- Interpréter les échanges d’énergie entre lumière et matière à l’aide du modèle corpusculaire de la lumière.

I. Les différentes sources de lumière

1. Lumières mono et polychromatiques

La lumière émise par une source peut être analysée par un prisme ou un réseau.
Si la lumière n’est pas décomposée, elle est monochromatique. Elle correspond à une radiation.
Si la lumière est décomposée, elle est polychromatique. C’est un ensemble de plusieurs radiations.
Chaque radiation peut être caractérisée par sa longueur d’onde dans le vide, notée λ (en mètre).

2. Longueur d'onde dans le vide d'une radiation

La longueur d’onde λ, dans le vide, et la fréquence ν d’une radiation lumineuse sont liées par la relation :

Dans le vide ou dans l’air, les radiations visibles ont des longueurs d’onde comprises entre 400 nm et 800 nm environ. Elles sont limitées par les ultraviolets (λ < 400 nm) et par les infrarouges (λ > 800 nm).

II. Lumières émises par des corps chauffés

1. Loi de Wien

La loi de Wien permet d’évaluer la température de surface T (en K) d’un corps chaud à partir de la longueur d’onde λmax de la radiation émise par ce corps avec le maximum d’intensité.
Selon la loi de Wien, la longueur d’onde λmax à laquelle un corps noir émet un maximum d’intensité lumineuse est inversement proportionnelle à sa température T :

2. Couleur perçue

La loi de Wien ne suffit pas à prévoir la couleur d’un corps chauffé car elle dépend de l’ensemble des radiations visibles émises.

III. Lumière émise par une source froide

1. Le photon

Les transferts d’énergie entre matière et lumière sont discontinus ou quantifiés. Ils ne peuvent se faire que par « paquets » d’énergie, appelés quanta.
Un quantum d’énergie lumineuse est appelé photon.
L’énergie E d’un photon, associée à une radiation de fréquence ν, est donnée par la relation (formule de Planck) :

avec h une constante universelle appelée constante de Planck (h = 6,63 x 10-34 J.s)

2. Quantification de l'énergie des atomes

Un atome ne peut exister que dans des états bien définis, chaque état étant caractérisé par un niveau d’énergie. L’énergie d’un atome est quantifiée : elle ne peut prendre que des valeurs discrètes, caractéristiques de l’atome.
Lorsque l’atome est à son niveau le plus bas, on dit qu’il est dans son état fondamental. Sinon on dit qu’il est dans un état excité.

3. Émission et absorption de lumière

En passant d’un état excité d’énergie Esup à un niveau d’énergie plus faible Einf, un atome émet un photon d’énergie .
Dans le spectre d’émission de cet atome, on pourra observer une raie de longueur d’onde :

Un atome dans un état d’énergie Einf peut absorber un photon d’énergie ΔE s’il possède un niveau d’énergie supérieure Esup tel que ΔE = Esup - Einf.
Dans le spectre d’absorption de cet atome, on pourra observer une raie sombre de longueur d’onde :

IV. Le spectre solaire

Le profil spectral de la lumière venant du Soleil fait apparaître un maximum d’intensité pour λmax = 480 nm.
La loi de Wien permet de connaître la température de surface du Soleil Θ = 5,75 x 103 °C.
Les raies noires du spectre de la lumière provenant du Soleil ou les minima d’intensité lumineuse de son profil spectral permettent d’identifier les espèces chimiques présentes dans son atmosphère.

Fiche de cours

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Activité expérimentale

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