[ Chapitre 3 : Sources de lumière colorées]

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Introduction:L’importancedessourceslumineuses(répond à la situation déclenchante 1)

On a vu dans la séquence précédente l’importance de la nature des sources lumineuses qui éclairent un objet ; selon la nature de celle-ci, un même objet peut paraître coloré diversement selon qu’il absorbe ou diffuse telle ou telle radiation de la lumière qui l’éclaire. Il est donc important de connaître la nature et la composition d’une source lumineuse.

Certaines sources ne permettent pas la restitution des couleurs naturelles. Dans la séquence précédente, nous en avons vu un exemple avec la lampe à vapeur de sodium, qui émet une lumière jaune ( et que l’on utilise dans les tunnels par exemple). Cependant, on demande le plus souvent à un éclairage artificiel de restituer des sensations colorées proches de celles générées par le Soleil, qui émet notre lumière naturelle. Nous allons dans un premier temps étudier les différentes sources de lumière à notre disposition, puis dans un second temps, nous nous intéresserons à leur mode de fonctionnement.

I. Dessourceslumineusesdifférentes

1) Démarched’investigationVoir Activité 1 : les différentes sources de lumière Question : n’importe quelle lampe électrique peut-elle produire les mêmes sensations colorées que la lumière du jour ?

2) Commentdifférencierlessourceslumineuses?

3) Lesondeslumineuses

LesdifférentessourcesdelumièreActivité1

Documentaire

LoideWienActivité2Expérimentale

Lephoton(page 56)Activité3Documentaire

Lemercure:niveauxetraies(page 57)Activité4Modélisation

LespectresolaireActivité5Documentaire

SOURCESDELUMIERESCOLOREESCOURS

λ s’exprime en mètres (m) ν s’exprime en Hertz ( Hz) c est la vitesse de la lumière dans le vide : c = 3,00.108 m.s-1.

[ Chapitre 3 : Sources de lumière colorées]

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λ=! ! = cT

II. Couleurdescorpschauffés:rayonnementthermiqueouparincandescence

1) ActivitéTPn°2:étudedelalumièreémiseparunfilament–loi

2) LaloideWien Loi de Wien : La longueur d’onde λmax à laquelle un maximum d’intensité lumineuse est émis par

un corps noir est inversement proportionnelle à sa température : λmax. T = constante= 2,9.10-3 K.m (ici T en Kelvin et λmax en mètres)

III. Quelleestl’originedel’émissiondelumièreparunesourcefroide?

1) Lalumière:ondeouparticule?

a. Activitén°3:àladécouverteduphoton

b. Conclusion:• Le modèle ondulatoire de la lumière est indispensable pour étudier la propagation de la lumière mais est insuffisant pour

décrire les échanges d’énergie entre matière et lumière. • Les transferts d’énergie entre matière et lumière sont discontinus ou quantifiés. Ils ne peuvent se faire que par

« paquets » d’énergie contenant chacun une énergie bien déterminée. En physique, un paquet d’énergie contenant la plus petite énergie échangeable est appelé un quantum.

• Un quantum d’énergie lumineuse est appelé un photon. • L’énergie d’un photon ne dépend que de la fréquence de la radiation qui le transporte ou, ce qui revient au même, de sa

longueur d’onde dans le vide. L’énergie ΔE d’un photon associé à une radiation de fréquence ν, est donnée par la relation (formule de Planck) :

ΔE=h.ν h désigne une constante universelle appelée constante de Planck ; h = 6,63.10-34 J.s

Remarques : plus la longueur d’onde dans le vide est petite, plus sa fréquence est grande et donc l’énergie du photon est grande.

Si l’on fait le calcul en appliquant la formule de Planck, de l’énergie des photons pour une radiation bleue de fréquence ν = 6,00.1014 Hz, on trouve ΔE = 3,98.10-19J. Ces énergies sont extrêmement petites à notre échelle, c’est pourquoi la discontinuité des échanges d’énergie entre lumière et matière ne nous est pas perceptible directement.

• On peut donc aussi modéliser la lumière par un déplacement de particules de masse nulle, les photons. On dit pour cela que la lumière a une nature corpusculaire.

• La nature de la lumière est donc à la fois ondulatoire e t corpusculaire. Ces deux aspectes sont nécessaires

pour une description complète de la nature de la lumière. C’est la dualité onde-corpuscule.

2) Laquantificationdesniveauxd’énergiedelamatière

a. Activité4:LemercureFaire l’activité du livre page 57

ν en hertz ( Hz) ΔE en joule ( J)

[ Chapitre 3 : Sources de lumière colorées]

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b. Conclusion:• A chaque répartition des électrons sur les couches électroniques ( couches K,L,M .. vues en seconde), correspond un

niveau d’énergie de l’atome. Pour qu’un électron passe d’une couche électronique (niveau d’énergie) à une couche supérieure (niveau d’énergie supérieur), l’atome doit recevoir une certaine quantité d’énergie. Si le changement de couche est l’inverse du précédent, l’atome restitue cette même quantité d’énergie. Les énergies pouvant être échangées par un atome au repos sont quantifiées : elles ne peuvent prendre que des valeurs discrètes.

• On appelle énergie d’un niveau l’énergie E que l’atome doit fournir pour passer de ce niveau à un niveau de référence (arbitrairement choisi). La quantification des échanges d’énergie peut ainsi s’exprimer d’une façon équivalente : les niveaux d’énergie de l’atome sont quantifiés, leur énergie ne peut prendre que des valeurs discrètes.

• Les niveaux d’énergie d’un atome ont des valeurs bien déterminées, caractéristiques de l’atome. Lorsque l’atome est à son énergie le plus bas , on dit qu’il est dans son état fondamental. Sinon, on dit qu’il est dans un état excité.

• Un changement de niveau s’appelle une transition. Une transition est symbolisée par une flèche droite. • L’atome cède l’énergie Ei- Ef lors d’une transition d’un niveau supérieur à un niveau inférieur : on représente cette

transition par une flèche droite , orientée de haut en bas. Cette transition s’accompagne de l’émission d’un rayonnement, un photon, d’énergie Ei- Ef = hν, représentée par une flèche ondulée « sortante ».

• L’atome reçoit l’énergie Ef- Ei lors d’une transition d’un niveau inférieur à un niveau supérieur : on représente cette transition par une flèche droite, orientée de bas en haut. Cette transition peut-être provoquée par l’absorption d’un photon d’énergie Ef- Ei = hν, représentée par une flèche ondulée « rentrante ».

3) Interprétationdesspectresatomiques:Pour interpréter les spectres lumineux il faut admettre les hypothèses suivantes :

• Un atome peut subir des transitions en échangeant de l’énergie avec un rayon lumineux. Dans ce cas, à chaque transition, l’énergie est intégralement échangée sous forme d’un photon et d’un seul.

• Si l’atome transite vers un niveau inférieur, un photon est émis. Dans le cas inverse, un photon est absorbé.

Ainsi, on peut expliquer les propriétés des spectres atomiques. Les énergies ΔE des photons qu’un atome peut échanger ne peuvent prendre que des valeurs discrètes, et ces valeurs sont les mêmes que les photons soient émis ou absorbés. Il en est de même pour les fréquences des radiations, puisque ΔE = h.ν . Le spectre d’un atome est un spectre de raies et les raies ont les mêmes places dans les spectres d’émission que dans les spectres d’absorption.

• Des atomes d’un gaz à basse pression peuvent être excités grâce à une tension électrique. Le spectre de la lumière émise par un gaz à basse pression est donc un spectre de raies d’émission. C ’est l’origine de l’émission de lumière par les lampes froides. ( et on a ainsi expliqué le principe des lampes à vapeur de sodium ou de mercure, les dels, lasers et tubes à décharge de l’activité 1).

Energie d’ionisation. L’électron eszt parti. L’atome est ionisé.

Continuum d’énergie

Etat excité n = 3

Etat excité

n=2

Etat fondamental

niveau = 1

0 E ( eV)

-1,51 -1,55

-2,01

-3,54

-5,39

Niveau n = 5 Niveau n = 4

Emiss ion d’un photon

[ Chapitre 3 : Sources de lumière colorées]

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4) Réinvestissement:En faisant l’activité 5, on a bouclé la boucle !

IV. LespectresolaireLe Soleil peut-être assimilé à une boule de gaz très chaude et sous-pression, et son atmosphère à une couche gazeuse relativement froide et à basse pression.

1) Activité6:Lespectresolaire

2) Spectresolaire:• Le spectre solaire est constitué par le spectre de la lumière blanche, un fond continu de couleurs auquel se

superpose un spectre de raies d’absorption constitué d’environ 20000 raies sombres. • La surface du Soleil ( la photosphère) émet par incandescence un rayonnement continu assimilable à celui d’un corps

noir dont la température est de l’ordre de 5800K, ce qui explique que le maximum d’intensité lumineuse solaire soit dans le bleu-vert (λmax = 500 nm).

• Les entités chimiques présentes dans l’atmosphère du Soleil, ou chromosphère, absorbe une partie de cette lumière. Elle est responsable des raies d’absorption.

• L’analyse des raies d’absorption au sommet de l’atmosphère solaire permet d’identifier et de dénombrer les atomes et les ions présents dans la chromosphère.

• Avant d’arriver au niveau du sol, le rayonnement solaire est partiellement absorbé par les molécules présentes dans l’atmosphère terrestre.

5, 7, 14, 16, 17, 24, 28 et 34 page 62-70

Corrigés dans le livre : 8, 18, 26 page 62-70

Page62à70Exercices