CHAPITRE I

LA LUMIERE

INTRODUCTION

• La lumière est l’ensemble des radiations émises par:1- Les corps portés à haute température

(incandescence: Etat d’un corps qu’une température élevée rend lumineux ):

a- Les lampes à incandescence ( à filament).b- Les étoiles( notre soleil ).c- Les bougies…

2- Les corps excités par diverses formes d’énergies ( luminescence:Propriété d’un matériau pouvant émettre de la lumière à basse énergie par excitation ):a- Tube à néon ( Tube à fluorescence).b- La lune.

EXPLICATION DU PHENOMENE DE LA LUMIERE

• La lumière a été expliquée par diverses théories. Les principales sont:

A- La théorie ondulatoire.

B- La théorie de l’émission.

C- La théorie des ondes électromagnétiques ( O.E.M ) par James Clerk MAXWELL (Edimbourg : 1831-1879 ), ondes Hertziennes et Lumineuses sont de même nature.

A- THEORIE ONDULATOIRE

• Elle considère le phénomène de la lumière comme un moyen de transport d’énergie d’un point d’émission vers un récepteur en général l’œil.

• Autrement dit, elle suppose que la lumière est un phénomène vibratoire qui se propage dans le milieu matériel considéré.

• La théorie ondulatoire explique les phénomènes d’interférence et de diffraction de la lumière.

• Cette théorie; associe à tout point éclairé par une lumière monochromatique une vibration lumineuse sinusoïdale S(t) telle que:

S(t)= a.sin(ω.t + Φ0)

A: amplitude ( en mètre). ω: pulsation( rd/ s ). Φ0: phase à t=0s ( en rd ).

•{ mono: un, Chroma: couleur ) <==> une lumière provenant d’une source considérée comme formée d’une seule couleur}.

Schéma n0:1

• Le temps ( T ) au bout du quel le phénomène

se répète est appelé PERIODE TEMPORELLE (en seconde ).

• Son inverse ν = 1 /T (nu), est appelée fréquence ( f ) de la vibration lumineuse:

• f = ν = 1 / T (en Hz).

• La fréquence caractérise la couleur de la radiation monochromatique considérée:

• Chaque couleur monochromatique <═> une seule couleur <═> une fréquence unique.

A l’aide d’instruments astronomiques spéciaux on fait des observations, on obtient un spectre de raies d’émission et à chaque raie ( couleur ) on fait correspondre une seule fréquence et un élément chimique unique.

•QUESTION: COMMENT ON DETERMINE LES ELEMENTS CHIMIQUES QUI COMPOSENT LES PLANETES.

• T = 2.π /ω = 1/ν = 1/ f (en s)

–Schéma n°2

λ: La Longeur d’onde ( lambda ) en mètre ( m ).Φ° = 2.π.d /λ en radian ( rd )d : la distance parcourue par la lumière jusqu’au point ( M ). Si l’on trace la courbe de propagation suivant l’axe des (X ), on trouve le même mouvement sinusoïdal. Et ( λ ) est la distance au bout de laquelle le phénomène se répète. Elle est dite: PERIODE SPACIALE ( ) ou longueur d’onde de la vibration lumineuse (en mètre ).

B- THEORIE DE L’EMISSION

• La théorie de l’émission part de l’idée que tous les corps chauds émettent dans toutes les directions des corpuscules ayant une grande vitesse donc de forte énergie.

• En 1887, HERTZ découvre l’effet PHOTOELECTRIQUE : Si l’on envoie sur un matériau métallique de la lumière, on constate le passage d’un courant électrique dans un GALVANOMETRE ( G )-> c’est un ampermètre qui mesure de faibles courants.

EXPERIENCE DE L’EFFET PHOTOELECTRIQUE:

Schéma n°3

EXPLICATION:

Quand on éclaire la plaque métallique ( LA CATHODE ) par une radiation lumineuse de fréquence (ν ) donc monochromatique et d’énergie ( E ), on constate qu’il y a passage d’un courant d’intensité ( I ).h: constante de PLANK

Pour Albert EINSTEIN, la lumière est formée de particules (corpuscules ) appelées PHOTONS.

On dit que la lumière a une nature corpusculaire.Chaque photon transporte une énergie:

( E= h.v). h = 6.6 10-34 J.S est appelée:

constante de PLANCKEt une impulsion P= m.C, C=3 10-8 m/s vitesse de la lumière dans le vide appelée: célérité.Les photons venant de le source lumineuse entrent en collision avec les électrons du métal de la cathode.

- Si leur énergie ( E= h.v ) est supérieur à l’énergie de liaison ( ) W des électrons atomiques, alors, les électrons sont arrachés avec ( en plus ) une énergie cinétique Ec. Puis, ils sont accélérés avec une différence de potentiel (d.d.p) U existante entre les deux électrodes. Les électrons entrent dans le circuit électrique par l’intermédiaire de l’anode ( ) ce qui va nous donner un courant électrique dans le Galvanomètre ( G ).La conservation de l’énergie et la quantité de mouvement donnent l’équation de l’effet photoélectrique:

E = h.v = W + Ec = W +1/2. m.V2 = h.C / λ; V: la vitesse de l’électronLa fréquence v = C/ λ = 1 / T λ= C.T et E (ev) =12400/λ( en Å ) L’Energie: en électron-volt.

- Si E = W, les electrons sont arrachés, restent à la surface du metal et s’est la ( d.d.p ) U qui va accélérer les “ é “,on a alors, un courant dans ( G ).

-Si E < W : électrons non arrachés.IL n’y a aucun courant dans (G).

C –THEORIE ELECTROMAGNETIQUE DE J.C. MAXWELL

Dans la théorie des ondesélectromagnétiques, J.C. MAXWELL, remarqua que les ondes électromagnétiques ( O.E.M ) étaient la résultante de la propagation d’un champ électrique ( E ) et d’un champ magnétique ( B ) perpendiculaires entre eux.

Et de plus, les deux champs se propagent à la même vitesse que la lumière C.

Schéma n°1 et 2

• D’où, l’hypothèse de J.C.MAXWELL que la lumière résulte aussi, tout simplement, de la propagation de champs électrique ( E ) et magnétique ( B ).

• ORIGINE DE LA VIBRATION LUMINEUSE :

• Une onde ( E.M ) est engendrée par une charge électrique ( q ) en mouvement.

Schéma n°3

• En effet, les électrons de la matèreportés à haute température ( incandescence ) émettent plusieurs ondes ( O.E.M ), de fréquences élevées, se propageant à la vitesse de la lumière ( C ) dans le vide.

• D’autre part, cette même matière émet des radiations lumineuses visibles. En conclusion, on peut dire que la lumière naturelle est constituée d’ondes ( E.M ),de fréquences différentes et élevées, émises par la matière.

• Une radiation monochromatique n’existe pas réellement.

SPECTRE VISIBLE:

• L’intervalle des fréquences des ondes ( E.M) s’étale de 1023 Hz à 103 Hz. L’œil humain n’est sensible que dans la plage des fréquences comprisent entre 3,7 1014Hz et 7,5 1014Hz.

• A ces deux fréquences limites correspondent les longueurs d’ondes 0,8µm et 0,4µm.

• Donc, les ondes lumineuses n’occupent qu’une petite partie de ce spectre.

• Cette partie est dite:• << LE SPECTRE VISIBLE >>.

PHENOMENE DES COULEURS:

• Le phénomène des couleurs des corps s’explique comme suit:

• Pour un corps qui apparaît de couleur, par exemple VERTE : C’est que quand il est éclairé par le soleil, il absorbe toutes les radiations du spectre visible mais il réflichit les radiations de la couleur VERTE qui correspondent à:

• 0,48 µm < λ <0,5 µm• Et c’est pour cela qu’il apparaît VERT.

- A chaque radiation il correspond une couleur et la combinaison de plusieurs radiation donne une couleur colorée.

-La lumière blanche est la combinaison de toutes les couleurs du SPECTRE VISIBLE.

- Le noir : est l’absence des couleurs du SPECTRE VISIBLE.

TABLEAU DES COULEURS:

Les longueurs d’ondes des radiations sont comprisent entre :

La couleur de la lumiére engendrée:

0,48 µm et 0,50 µm VERTE

0,50 µm et 0,52 µm JAUNE

0,40µm et 0,80 µm BLANCHE

Absence de radiations du SPECTRE VISIBLE

LE NOIR

INDICE DE REFRACTION ABSOLUE DE LA MATIERE

• Dans le vide la lumiére se déplace à la vitesse: • C = 3 108 m/s. Quand la lumière traverse un milieu matériel homogène et isotrope, elle le fait avec une vitesse ( V < C ).

• C’est une caractéristique du milieu.

• On a décidé de caractériser le matériau transparent par le nombre ( n ) appelé indice de réfraction absolue du matériau, tel que:

• n = C / V par rapport au vide.

• n : est un nombre > 1.

nr Indice de réfraction par rapport à un matériau de référence.

nr = V ( matériau de référence )/ V (matériau considéré)

Exemple:

nglace/ Benzene = VBenzene/ Vglace

INDICE DE REFRACTION RELATIF DE LA MATIERE:

TABLEAU DE VALEURS MOYENNES DE ( n ):

La matiére

AIR EAU Quartz VERRE Huile speciale

Diamant

Valeur de (n)

1,003 1, 33 1,45 Crown de: 1,5 à 1,54

Flint de:

1,57 à 1,66

1,9 2,42

REMARQUE:

• L’ étude expérimentale tres poussée a montrée que l’indice de réfraction s’écrit:

• n = a + b/ λ2 + c/ λ4 + d/ λ6 +…….

• Où a,b,c,d,…. Sont des constantes à

déterminer pour chaque matériau. • [ a -> constante ]; [b-> nm2]; [c-> nm4]; Etc…

λ n verre Crown n verre Flint

ROUGE 1,512 1,618

JAUNE 1,517 1,627

BLEU 1,521 1,635

EXERCICES SUR LA THEORIE DE LA LUMIERE:

1) Energie d’un Photon: E = h.עh = 6.6 1O-34 J.s et ע = C/ λ : fréquence en Hz.

La célérité: C = 299792458 m/s.

a)Longueur d’onde minimale: λmin

λ min = C/ עmax = 299792458 / 7.5 1014

= 3.99 10-7 = 3990 Å

E max = h. עmax = 6.6 10-34 x. 7.5 1014 = 49.5 10-20 J

b) Longueur d’onde maximale: λmax

λ max = C/ עmin = 299792458 / 3.7. 1014

= 8.81 10-7 = 8810 Å

E min = h. עmin = 6.6 10-34 x 3.7 1014 = 24.42 10-20 J

2) La fréquence radioLa fréquence radio ע est:

C / λ = 3 108 / 10 = 3 107 Hz = ע = 3.104x ( 103 Hz )= 3.104 KHz = 30.(103 KHz ) = 30 MHz

3) La longueur d’onde λ est:

λ = C / 1050.103 / 3.108= ע

= 285.71 m = 285.71 1010 Å

λ min=3990 λ max= 8810

min = 3.7 1014ע

λ ( Å )

( Hz )ע

max = 7.5 1014 ע

4) L’indice de réfraction ( absolu) est défini par:

n = C / V

C: la célérité = vitesse de la lumière dans le vide.

V: vitesse de la lumière dans le matériau.

Et puisque C est la plus grande dans l’univers donc,quel que soit V on a :

C > V <═> C/ V > V/ V

<═> C/ V > <═> n > 1

5) nBenzene = 1.5 Comme: n = C / V Alors: VBenzene = C/ nBenzene

A.N: VBenzene = 3.108 / 1.5 = 2.108 m/s

6) Vlumière dans la glace = 2.3 108 m/sComme: n = C / V donc:nlumière dans la glace = C / Vlumière dans la glace

A.N: nlumière dans la glace = 3.108 / 2.3 108 = 1.30

7) Soit n( λ ) = a + b / λ2 + ….

a = 1.3 et b = 3025 nm2

Pour: λ rouge = 700 nm et λviolet = 400 nm on a:

nrouge = n (λ rouge ) = 1.3 + 3025/( 7002 ) = 1.306

nviolet = n (λ violet ) = 1.3 + 3025/( 4002 ) = 1.318

Remarque:

n[sans unité],donc a[sans unité]

et aussi (b /λ2 ) doit être[sans unité].

Ceci implique que b[ en nm2] puisque λ[en nm].

LEXIQUE• CHAPITRE I: LA LUMIERE• INTRODUCTION:• Lumière• Radiations• Incandescence• filament• Luminescence• La théorie ondulatoire.• La théorie de l’émission.• La théorie des ondes électromagnétiques ( O.E.M )• Ondes Hertziennes • Ondes lumineuses• A- THEORIE ONDULATOIRE:• Point d’émission • Un récepteur• Phénomène vibratoire• Se propager• phénomènes d’interférence de la lumière• Phénomène de diffraction de la lumière.• Lumière monochromatique

une vibration lumineuse sinusoïdaleA: amplitude ( en mètre). ω: pulsation( rd/ s ). Φ0: phase à t=0s ( en rd ).

PERIODE TEMPORELLEfréquence ( f ) de la vibration lumineusespectre de raies d’émissionλ: La Longeur d’ondePERIODE SPACIALEB- THEORIE DE L’EMISSION B- THEORIE DE L’EMISSION:CorpusculesPHOTOELECTRIQUELa plaque métallique ( LA CATHODE)Un courant d’intensité ( I ).une nature corpusculairePHOTONcollision